Scienziati americani hanno misurato la più alta resistenza mai registrata di qualsiasi materiale mentre indagavano su una lega metallica fatta di cromo, cobalto e nichel (CrCoNi).
Scienziati americani hanno misurato la più alta resistenza mai registrata di qualsiasi materiale mentre indagavano su una lega metallica fatta di cromo, cobalto e nichel (CrCoNi).
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Il metallo non è solo estremamente duttile – che, nella scienza dei materiali, significa altamente malleabile – e impressionantemente forte (il che significa che resiste alla deformazione permanente); la sua resistenza e duttilità migliorano man mano che si raffredda. Questo va contro la maggior parte degli altri materiali esistenti.
Il team, guidato da ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e del Oak Ridge National Laboratory, ha pubblicato uno studio che descrive le loro scoperte record nella rivista Science. “Quando si progettano materiali strutturali, si vuole che siano forti, ma anche duttili e resistenti alla frattura,” ha detto il co-leader del progetto Easo George, del Oak Ridge National Laboratory e dell’Università del Tennessee. “Normalmente, c’è un compromesso tra queste proprietà. Ma questo materiale è entrambi e, invece di diventare fragile a basse temperature, diventa più resistente.”
Miscela uguale
La lega CrCoNi è un sottoinsieme di una classe di metalli chiamati leghe ad alta entropia (HEAs, in inglese).
Tutte le leghe in uso oggi contengono un’alta percentuale di un elemento con quantità minori di altri elementi aggiunti, ma le HEAs sono fatte da una miscela uguale di ogni elemento costituente.
Queste ricette atomiche bilanciate sembrano conferire ad alcuni di questi materiali una combinazione straordinariamente alta di forza e duttilità quando sono sottoposti a tensione, che insieme formano ciò che è chiamato “resistenza”.
Le HEAs sono state un’area di ricerca intensa da quando sono state sviluppate circa 20 anni fa, ma la tecnologia necessaria per portare i materiali ai loro limiti in test estremi non era disponibile fino a poco tempo fa.
“La resistenza di questo materiale vicino alle temperature dell’elio liquido (20 kelvin, o -253°C) arriva a 500 megapascal. Nelle stesse unità, la resistenza di un pezzo di silicio è 1, la struttura di alluminio negli aerei passeggeri è di circa 35, e la resistenza di alcuni dei migliori acciai è di circa 100.
Quindi, 500, è un numero impressionante”, ha detto il co-leader della ricerca Robert Ritchie, scienziato senior nella Divisione di Scienze dei Materiali del Berkeley Lab e professore di ingegneria all’Università della California a Berkeley.
Ritchie e George hanno iniziato a fare esperimenti con CrCoNi e un’altra lega che contiene anche manganese e ferro (CrMnFeCoNi) quasi un decennio fa. Hanno creato campioni delle leghe e poi hanno abbassato i materiali alle temperature dell’azoto liquido (circa 77 kelvin, o -196°C) e hanno scoperto una forza e una resistenza impressionanti.
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Hanno subito voluto proseguire il loro lavoro con test in intervalli di temperatura dell’elio liquido, ma trovare strutture che permettessero di testare i campioni in un ambiente così freddo e reclutare membri del team con gli strumenti analitici e l’esperienza necessari per investigare ciò che accade nel materiale a livello atomico ha richiesto i successivi dieci anni. Fortunatamente, i risultati ne sono valsi la pena.
Indagando il cristallo
Molte sostanze solide, compresi i metalli, esistono in una forma cristallina caratterizzata da un modello atomico 3D ripetuto, chiamato cella unitaria, che compone una struttura più grande chiamata griglia. La forza e la resistenza del materiale, o la mancanza di essa, provengono dalle proprietà fisiche della griglia. Nessun cristallo è perfetto, quindi le celle unitarie in un materiale conterranno inevitabilmente “difetti”.
Un esempio prominente di ciò sono i dislocamenti – confini dove la griglia non deformata incontra la griglia deformata. Quando una forza viene applicata al materiale (pensa, per esempio, a piegare un cucchiaio di metallo), il cambiamento di forma viene realizzato dal movimento dei dislocamenti attraverso la griglia. Più è facile per i dislocamenti muoversi, più il materiale sarà morbido. Ma se il movimento dei dislocamenti è bloccato da ostacoli sotto forma di irregolarità nella griglia, allora è necessaria più forza per spostare gli atomi all’interno del dislocamento, e il materiale diventa più forte. D’altra parte, gli ostacoli rendono di solito il materiale più fragile – propenso a incrinature.
Utilizzando la diffrazione dei neutroni, la diffrazione retrodiffusa degli elettroni e la microscopia elettronica a trasmissione, Ritchie, George e i loro colleghi del Berkeley Lab, dell’Università di Bristol, del Rutherford Appleton Laboratory (questi ultimi due nel Regno Unito) e dell’Università del Nuovo Galles del Sud (Australia) hanno esaminato le strutture di griglia di campioni di CrCoNi che erano stati fratturati a temperatura ambiente e a 20 K. (Per misurare resistenza e duttilità, un campione di metallo puro viene tirato fino a fratturarsi, mentre per i test di resistenza alla frattura, un incrinatura acuta viene intenzionalmente introdotta nel campione prima di essere tirato e la tensione necessaria per far crescere l’incrinatura viene poi misurata.)
Sequenza magica
Le immagini e le mappe atomiche generate da queste tecniche hanno rivelato che la resistenza della lega è dovuta a un trio di ostacoli di dislocamento che entrano in vigore in un determinato ordine quando la forza viene applicata al materiale. Prima di tutto, i dislocamenti in movimento fanno scivolare aree del cristallo lontano da altre aree che sono su piani paralleli. Questo movimento sposta gli strati di celle unitarie in modo che il loro modello non coincida più nella direzione perpendicolare al movimento di scivolamento, creando una sorta di ostacolo. Più forza sul metallo crea un fenomeno chiamato nanotwinning, in cui le aree della griglia formano una simmetria speculare con un limite al centro. Infine, se le forze continuano ad agire sul metallo, l’energia che viene messa nel sistema cambia l’arrangiamento delle stesse celle unitarie, con gli atomi di CrCoNi che passano da un cristallo cubico a facce centrate a un altro arrangiamento noto come impaccamento esagonale.
Questa sequenza di interazioni atomiche garantisce che il metallo continui a fluire, ma continui anche a incontrare nuova resistenza da ostacoli molto oltre il punto in cui la maggior parte dei materiali si rompe con la tensione. “Quindi, mentre tirate, si avvia il primo meccanismo, poi il secondo, il terzo e il quarto”, ha spiegato Ritchie. “Ora, molte persone diranno, beh, abbiamo visto il nanotwinning nei materiali comuni, abbiamo visto lo scivolamento nei materiali comuni. Questo è vero. Non c’è nulla di nuovo in questo, ma è il fatto che tutti si verificano in questa sequenza magica che ci dà queste proprietà veramente straordinarie.”
Concetti da riconsiderare
Le nuove scoperte del team, insieme ad altri recenti lavori sulle HEAs, potrebbero costringere la comunità scientifica dei materiali a riconsiderare vecchie idee su come le caratteristiche fisiche danno origine alle prestazioni.
“È divertente perché i metalmeccanici dicono che la struttura di un materiale definisce le sue proprietà, ma la struttura del NiCoCr è la più semplice che si possa immaginare – sono solo grani”, ha detto Ritchie. “Tuttavia, quando la deformi, la struttura diventa molto complessa, e questo cambiamento aiuta a spiegare la sua eccezionale resistenza alla frattura”, ha aggiunto l’autore Andrew Minor, direttore della struttura del National Center for Electron Microscopy della Molecular Foundry presso il Berkeley Lab e professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso l’Università della California a Berkeley. “Abbiamo potuto visualizzare questa trasformazione inaspettata grazie allo sviluppo di rilevatori di elettroni rapidi nei nostri microscopi elettronici, che ci permettono di distinguere tra diversi tipi di cristalli e quantificare i difetti al loro interno alla risoluzione di un singolo nanometro – la larghezza di solo alcuni atomi – che, come si è visto, è la dimensione dei difetti nella struttura deformata di NiCoCr.”
La lega CrMnFeCoNi è stata anche testata a 20 kelvin e ha avuto un’ottima performance, ma non ha raggiunto la stessa resistenza della più semplice lega CrCoNi.
Forjando nuovi prodotti
Ora che il funzionamento interno della lega CrCoNi è meglio compreso, è possibile lavorare per trovare modi di utilizzarla in prodotti commerciali e industriali, ha detto George. “Potremmo vedere un impiego nella progettazione di strutture a bassa temperatura o strutture resistenti a grandi sollecitazioni, come gli involucri dei reattori nucleari, ad esempio”, ha detto.
C’è un problema, però. Come accade con molti metalli ad alte prestazioni, la lega CrCoNi non è particolarmente economica. Il nichel è costoso, e mentre il cromo e il cobalto non sono così cari, tutti e tre i metalli sono tra i più preziosi nel tavolo periodico.
“Niente in questa lega è economico”, ha detto George. “Quindi, potremmo voler iniziare a guardare in direzione di leghe simili che utilizzano meno nichel, o trovare un modo per rendere le strutture dei materiali esistenti più simili a quelle del CrCoNi”.
In ogni caso, con le proprietà esibite da questa lega, il futuro dei materiali ad alta resistenza è certamente luminoso.
