Paduan Kromium, Kobalt dan Nikel adalah Bahan Terberat di Bumi, Jadi Lebih Keras dalam Dingin
Paduan kromium, kobalt, dan nikel baru saja memberi kita ketangguhan retak tertinggi yang pernah diukur dalam material di Bumi.
Ini memiliki kekuatan dan keuletan yang sangat tinggi, yang mengarah ke apa yang oleh tim ilmuwan disebut "toleransi kerusakan yang luar biasa".
Selain itu – dan berlawanan dengan intuisi – sifat-sifat ini meningkat seiring dengan semakin dinginnya material, menunjukkan beberapa potensi menarik untuk aplikasi di lingkungan kriogenik yang ekstrem.
"Bila Anda merancang bahan struktural, Anda ingin mereka menjadi kuat tetapi juga ulet dan tahan terhadap fraktur," kata ahli metalurgi Easo George , Ketua Gubernur untuk Teori dan Pengembangan Paduan Lanjutan di Laboratorium Nasional Oak Ridge dan University of Tennessee.
"Biasanya, ini adalah kompromi antara sifat-sifat ini. Tapi bahan ini keduanya, dan bukannya menjadi rapuh pada suhu rendah, malah menjadi lebih keras."
Kekuatan, keuletan, dan ketangguhan adalah tiga sifat yang menentukan seberapa tahan lama suatu material. Kekuatan menggambarkan ketahanan terhadap deformasi. Dan keuletan menggambarkan seberapa lunak suatu material. Kedua sifat ini berkontribusi pada ketangguhannya secara keseluruhan: ketahanan terhadap patah. Ketangguhan patah adalah ketahanan terhadap patah lebih lanjut pada bahan yang sudah patah.
George dan rekan penulis senior, insinyur mesin Robert Richie dari Berkeley National Laboratory dan University of California, Berkeley, telah menghabiskan beberapa waktu mengerjakan kelas bahan yang dikenal sebagai paduan entropi tinggi, atau HEA. Sebagian besar paduan didominasi oleh satu unsur, dengan sebagian kecil unsur lain tercampur. HEA mengandung unsur-unsur yang dicampur dalam proporsi yang sama.
Salah satu paduan tersebut, CrMnFeCoNi (kromium, mangan, besi, kobalt, dan nikel), telah menjadi subjek penelitian intensif setelah para ilmuwan memperhatikan bahwa kekuatan dan keuletannya meningkat pada suhu nitrogen cair tanpa mengorbankan ketangguhan.
Salah satu turunan dari paduan ini, CrCoNi (kromium, kobalt, dan nikel), menunjukkan sifat yang lebih luar biasa. Jadi George dan Ritchie serta tim mereka membunyikan buku-buku jari mereka dan mulai mendorongnya hingga batasnya.
Eksperimen CrMnFeCoNi dan CrCoNi sebelumnya telah dilakukan pada suhu nitrogen cair, hingga 77 Kelvin (-196 °C , -321 °F) . Tim mendorongnya lebih jauh, ke suhu helium cair.
Hasilnya sangat mengejutkan.
"Ketangguhan material ini di dekat suhu helium cair (20 Kelvin, [-253 °C, -424 °F] ) setinggi 500 megapascal meter akar persegi," Ritchie menjelaskan .
"Dalam satuan yang sama, ketangguhan sepotong silikon adalah satu, badan pesawat aluminium di pesawat penumpang sekitar 35, dan ketangguhan beberapa baja terbaik sekitar 100. Jadi, 500, itu angka yang mengejutkan."
Untuk mengetahui cara kerjanya, tim menggunakan difraksi neutron, difraksi hamburan balik elektron, dan mikroskop elektron transmisi untuk mempelajari CrCoNi hingga ke tingkat atom ketika retak pada suhu kamar dan dalam suhu yang sangat dingin.
Ini melibatkan pemecahan material dan mengukur tegangan yang diperlukan untuk menyebabkan retakan tumbuh dan kemudian melihat struktur kristal sampel.
Atom dalam logam tersusun dalam pola berulang dalam ruang tiga dimensi. Pola ini dikenal sebagai kisi kristal. Komponen berulang dalam kisi dikenal sebagai sel satuan.
Terkadang batas dibuat antara sel satuan yang cacat dan yang tidak. Batas-batas ini disebut dislokasi, dan ketika gaya diterapkan pada logam, mereka bergerak, memungkinkan logam berubah bentuk. Semakin banyak dislokasi yang dimiliki logam, semakin mudah ditempa.
Penyimpangan pada logam dapat menghalangi dislokasi agar tidak bergerak; inilah yang membuat suatu bahan menjadi kuat. Tetapi jika dislokasi diblokir, alih-alih berubah bentuk, material dapat retak, sehingga kekuatan yang tinggi seringkali berarti kerapuhan yang tinggi. Di CrCoNi, para peneliti mengidentifikasi urutan tertentu dari tiga blok dislokasi.
Yang pertama terjadi adalah slip, yaitu ketika bagian paralel kisi kristal saling menjauh. Hal ini menyebabkan sel satuan tidak lagi tegak lurus dengan arah slip.
Gaya yang terus menerus menghasilkan kembaran nano , di mana kisi-kisi kristal membentuk susunan cermin di kedua sisi batas. Jika lebih banyak gaya diterapkan, energi itu digunakan untuk mengatur ulang bentuk sel satuan, dari kisi kristal kubik menjadi heksagonal.
"Saat Anda menariknya, mekanisme pertama dimulai, lalu yang kedua dimulai, lalu yang ketiga dimulai, lalu yang keempat," kata Ritchie .
"Sekarang, banyak orang akan berkata, kami telah melihat nanotwining dalam bahan biasa, kami telah melihat slip pada bahan biasa. Itu benar. Tidak ada yang baru tentang itu, tetapi faktanya mereka semua terjadi dalam urutan ajaib ini. yang memberi kita sifat yang sangat luar biasa ini."
Para peneliti juga menguji CrMnFeCoNi pada suhu helium cair, tetapi kinerjanya tidak sebaik turunannya yang lebih sederhana.
Langkah selanjutnya adalah menyelidiki aplikasi potensial dari bahan semacam itu, serta menemukan HEA lain dengan sifat serupa.
Penelitian ini telah dipublikasikan di Jurnal Science.
