Seguici su Google

lega metallica forza rsistenza Un team di ricercatori ha scoperto⁢ una lega metallica eccezionale ‌che non si incrina a‌ temperature​ estreme ⁣grazie alla piegatura, o incurvatura, dei cristalli nella lega a livello atomico.

La lega metallica composta da niobio, tantalio, ⁣titanio e afnio ha sorpreso gli scienziati dei materiali con la sua notevole resistenza ​e tenacità sia a temperature estremamente elevate⁣ che a temperature molto basse,⁤ una combinazione di proprietà che fino ad ora sembrava quasi impossibile da ottenere. In questo contesto, la resistenza è definita come la quantità di forza che un‌ materiale può sopportare prima⁣ di essere permanentemente deformato dalla sua⁣ forma originale,⁢ e la tenacità è la sua resistenza alla ‌frattura (incrinatura). La resilienza della lega alla piegatura e alla frattura in un ampio intervallo ‍di condizioni potrebbe aprire ‌la strada⁢ a una nuova classe di materiali per motori di nuova generazione in grado di ‍operare ⁢con maggiore​ efficienza.

 

Il gruppo di ricerca,⁣ guidato⁢ da Robert⁣ Ritchie presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e ‌l’UC Berkeley, in collaborazione con i gruppi guidati dai professori​ Diran Apelian presso l’UC Irvine e Enrique ‍Lavernia‌ presso la Texas A&M University, ha scoperto le sorprendenti ‌proprietà della lega e poi‌ ha compreso come queste derivino⁤ dalle interazioni nella ‍struttura atomica. Il loro lavoro è descritto ⁢in uno ​studio‍ recentemente pubblicato sulla rivista Science.

“L’efficienza nella conversione del calore in elettricità o spinta‍ è determinata dalla temperatura a cui il combustibile viene bruciato‍ – più è caldo, meglio è. Tuttavia, ⁢la temperatura di ​esercizio ⁤è limitata dai materiali strutturali che devono resistere”, ha ‍affermato⁣ l’autore principale David Cook, uno studente⁢ di dottorato nel⁤ laboratorio di Ritchie. “Abbiamo⁤ esaurito la capacità di ottimizzare ulteriormente i materiali che attualmente utilizziamo ad‍ alte temperature e ‍c’è un grande bisogno di materiali metallici innovativi. È ⁢in questo contesto che questa lega mostra promesse”.

 

La lega in questo ⁤studio⁣ appartiene a una nuova classe di metalli noti come leghe refrattarie ‍ad alta o media ‍entropia (RHEAs/RMEAs). La maggior parte dei ⁣metalli che vediamo in applicazioni commerciali o industriali sono leghe composte ​da⁣ un metallo principale mescolato ‌con piccole ​quantità ⁢di altri elementi, ma le RHEAs ‍e le RMEAs sono realizzate mescolando quantità quasi uguali di elementi metallici ‍con temperature ‍di fusione molto‍ elevate, il che ‌conferisce loro proprietà uniche⁤ che gli scienziati stanno ancora svelando. Il gruppo⁤ di Ritchie ⁤sta indagando su queste leghe ‍da ‌diversi ‍anni⁣ a causa del loro potenziale per applicazioni ad⁤ alta temperatura.

 

Analisi degli ‍arrangiamenti atomici

Quasi tutte⁣ le leghe metalliche sono ‍cristalline, il che significa che gli atomi⁢ all’interno del materiale sono disposti in unità ripetitive.​ Tuttavia,​ nessun cristallo è perfetto, tutti contengono difetti. Il difetto più prominente che si muove è ⁣chiamato dislocazione,​ che è un piano‌ incompleto di atomi nel cristallo. Quando viene⁣ applicata una forza a un metallo, causa il movimento di molte dislocazioni per⁤ accomodare il cambiamento di forma.

Ad esempio,⁤ quando si ⁤piega una⁣ graffetta fatta di alluminio, il​ movimento delle dislocazioni all’interno della graffetta accomoda il ‍cambiamento‌ di forma. Tuttavia, il movimento delle‌ dislocazioni diventa​ più difficile a temperature⁢ più basse e di conseguenza molti ⁤materiali diventano fragili a basse temperature⁣ perché le dislocazioni non ⁢possono muoversi. Questo è il motivo per cui ​lo scafo d’acciaio‌ del Titanic si è fratturato ‌quando ha​ colpito un iceberg. Gli elementi con temperature di fusione elevate e ⁣le loro leghe ‌portano​ questo all’estremo, con molti che rimangono fragili fino a temperature di 800°C.​ Tuttavia, ⁣questa ⁢RMEA ‍va contro la‍ tendenza, resistendo alla rottura anche ‌a⁤ temperature basse come quella dell’azoto liquido (-196°C).

 

Per comprendere cosa stava accadendo all’interno del metallo straordinario,‍ il⁤ co-investigatore Andrew Minor e il suo team hanno analizzato i‍ campioni sollecitati, insieme⁢ a campioni di controllo non piegati‍ e non incrinati, utilizzando la‍ microscopia elettronica a trasmissione⁢ a quattro dimensioni (4D-STEM) e la microscopia elettronica a trasmissione⁣ (STEM) presso il National⁢ Center for Electron Microscopy, parte del Molecular Foundry del Berkeley Lab.

I dati della microscopia elettronica hanno‍ rivelato che​ l’insolita tenacità della lega ⁢deriva da un effetto collaterale inaspettato di un raro difetto chiamato banda di piegatura. Le bande di piegatura si ‌formano in un cristallo quando una forza applicata causa il⁤ collasso di strisce del ‍cristallo su ‍se stesse e si piegano bruscamente. La ⁤direzione in cui il cristallo si ​piega⁤ in queste ‍strisce aumenta la forza che le‍ dislocazioni sentono, causando ⁣loro di ⁢muoversi​ più facilmente. A livello macroscopico, ‍questo fenomeno fa sì che il materiale si ‍ammorbidisca ⁢(significa che è necessario applicare meno forza al materiale⁣ mentre viene deformato). Il team sapeva da ​ricerche precedenti che le bande di piegatura si formavano facilmente nelle RMEAs, ma supponeva che l’effetto ​di ammorbidimento avrebbe reso ‍il materiale ⁤meno tenace rendendo ​più facile la ⁣diffusione‌ di una crepa attraverso il reticolo. Ma in realtà, questo non è ‌il caso.

 

“Dimostriamo, per la prima‌ volta, che in presenza di una⁢ crepa netta tra gli atomi, le ‌bande di piegatura resistono effettivamente alla⁣ propagazione di una crepa ⁣distribuendo ‌il danno lontano da essa, prevenendo‌ la ⁢frattura e portando ​a una tenacità alla frattura⁢ straordinariamente elevata”,​ ha affermato ‌Cook.

La ‌lega Nb45Ta25Ti15Hf15 dovrà subire molte più ricerche fondamentali e ‌test di ingegneria ​prima che ​qualcosa come ⁣una ​turbina di un aereo a​ reazione o un ugello di razzo SpaceX sia realizzato con essa, ha detto Ritchie, perché gli ingegneri meccanici ⁢giustamente richiedono una profonda comprensione di come ‍i loro materiali si comportano prima di utilizzarli⁣ nel mondo reale. Tuttavia, questo studio ‌indica che⁣ il metallo ha il potenziale per costruire i‌ motori del futuro.

Questo studio è stato condotto da​ David H. Cook, Punit ⁢Kumar, Madelyn I.​ Payne, Calvin H. Belcher,​ Pedro Borges,​ Wenqing Wang, Flynn Walsh, Zehao ⁣Li, Arun Devaraj, Mingwei‌ Zhang, Mark Asta, Andrew ⁢M. Minor, Enrique⁤ J. Lavernia, Diran Apelian⁢ e Robert ‍O. Ritchie, scienziati ‍presso ‌il Berkeley Lab, l’UC Berkeley, il Pacific Northwest National Laboratory e l’UC Irvine, con ‌il finanziamento dell’Ufficio per la Scienza del Dipartimento dell’Energia (DOE). L’analisi sperimentale e computazionale è stata condotta presso il Molecular⁢ Foundry e il National Energy Research Scientific Computing Center, entrambi strutture utente dell’Ufficio per la Scienza del DOE.

Seguici su Google