سبائك جديدة تحتفظ بالمرونة في درجات الحرارة المنخفضة للغاية، العلماء يكتشفون آلية جديدة لمقاومة التشقق

احتفظت سبيكتان تجريبيتان بالمرونة عند 20 كلفن (أي ما يعادل سالب 423 درجة فهرنهايت أو سالب 253 درجة مئوية)، وهي درجة الحرارة التي يصبح فيها هذا النوع من المعادن عادةً هشًا ويتعرض للكسر. قاد هذه الدراسة فريق دولي من جامعة كاليفورنيا في بيركلي، ومختبر لورنس بيركلي الوطني، وجامعة أكسفورد، وأشار البحث إلى أن السبيكات القائمة على الفاناديوم والتيتانيوم تتجنب الفشل من خلال آلية مجهرية غير عادية، مما قد يوجه تصميم المواد المناسبة للبيئات الباردة.

لماذا يؤدي البرودة إلى كسر بعض المعادن

هشاشة المعادن في درجات الحرارة المنخفضة

معظم المعادن تصبح أقوى عند تبريدها، لكن المعادن ذات البنية المكعبة الجسمية (مثل الحديد والتنجستن والكروم) تصبح أكثر هشاشة مع انخفاض درجة الحرارة بسبب بنيتها الذرية. في درجات الحرارة المنخفضة للغاية، قد تؤدي الشقوق التي عادةً ما تمتص طاقة انحناء المعدن إلى كسره. يعتمد عملية انحناء هذه المعادن بشكل كبير على انزلاق العيوب الخطية في البنية البلورية، المعروفة باسم дислокации. في بيئات التبريد الشديد، يصبح تحرك هذه дислокации أكثر صعوبة، مما يحد من قدرة المعدن على التشوه حول الشقوق ويزيد احتمال كسره.

مسارات مختلفة للانحناء

آلية تشوه السبيكة

في هذين السبيكين، يهيمن عملية مختلفة. لاحظ الباحثون ظهور توأمة على المستوى النانوي، حيث تُرتّب مناطق صغيرة من البلورة في اتجاه مرآتي، وتحدث تغييرات في البنية البلورية المحلية. عندما تصل هذه المناطق المكونة حديثًا إلى حدود البلورات المجاورة، تنشأ نقاط تركيز للإجهاد، مما يحفّز تكوين عيوب جديدة. هذه العيوب تسمح للمعدن بالاستمرار في التشوه دون كسر. قارن فريق البحث هذا الأمر بإعادة تخطيط شبكة طرق على طريق مغلق ومجمد: عندما تصبح مسارات التشوه العادية صعبة الاستخدام، تفتح التوأمة مساحات جديدة لتكوين العيوب المطلوبة.

في أدنى درجة حرارة تم اختبارها، لم تظهر هذه السبيكات أي انتقال قابل للقياس نحو سلوك هش.

اختبارات في بيئات التبريد الشديد

استخدم الباحثون جهاز Engin-X في مصدر ISIS للنيوترونات والميوزونات في أكسفوردشير لتبريد العينات إلى حوالي سالب 253 درجة مئوية، واختبروها باستخدام غاز الهيليوم. سحب جهاز الاختبار كل عينة من طرفيها одновременно مع توجيه束 نيوتروني نحوها لقياس القوة التي يمكن للمعدن تحملها ومدى تمدده قبل الفشل. كشفت المجهر الإلكتروني لاحقًا عن تغيرات هيكلية حول الشقوق وداخل المادة، بينما حلل مسبار الذرات توزيع العناصر. ساعدت النماذج الحاسوبية في تفسير كيفية عمل هذه الآليات معًا لمنع الفشل الهش.

دلالات البحث

التطبيقات المحتملة للبحث

قال دونغ ليو، المؤلف correspondant من قسم علوم الهندسة في جامعة أكسفورد، إن الانتقال من المرونة إلى الهشاشة كان يُنظر إليه طويلًا كقيود أساسية للمعادن ذات البنية المكعبة الجسمية. وأشار إلى أن هذه السبيكات لا تزال «مقاومة للضرر إلى حد كبير» عند 20 كلفن، مما يوفّر نهجًا جديدًا لتصميم المعادن الهيكلية التي تعمل في بيئات باردة للغاية، بما في ذلك المكونات التي تتعرض لدرجات حرارة مرتفعة ومنخفضة极端 في تطبيق واحد. ذكر ديفيد كوك، المؤلف الرئيسي، الذي كان يعمل في جامعة كاليفورنيا في بيركلي أثناء البحث ويعمل الآن في جامعة كامبريدج، أن الباحثين ركزوا سابقًا عادةً على مدى سهولة تحرك дислокации الموجودة.

وأضاف أن القدرة على إنشاء дислокации جديدة عند الواجهات قد تكون ذات أهمية مماثلة، مما يمكّن المصممين من بناء بنى تحتية تحافظ على مرونة المعادن في درجات الحرارة القصوى.

ولفت الباحثون إلى أن هذا الاكتشاف قد يُلهم تصميم المواد في قطاعات الطاقة والنقل والفضاء. وشملت المؤسسات المشاركة جامعة بريستول، ومصدر ISIS للنيوترونات والميوزونات، وجامعة كاليفورنيا في إيرفين، ومختبر باتيل الوطني لشمال غرب المحيط الهادئ، وجامعة تكساس إيه آند إم، وجامعة نان يانغ التكنولوجية في سنغافورة. ونشرت الدراسة لأول مرة في مجلة Nature.

إمكانات تطبيق السبيكة الجديدة في البيئات القاسية

كشفت هذه الدراسة عن آلية تحتفظ بها السبيكة الجديدة بالمرونة في درجات الحرارة المنخفضة للغاية، مما يتحدى الفهم السابق للمعادن ذات البنية المكعبة الجسمية. تقليديًا، تصبح هذه المعادن هشة في درجات الحرارة المنخفضة، بينما تتجنب السبيكة الجديدة الفشل من خلال ظاهرة التوأمة على المستوى النانوي، مما يبرز إمكاناتها للتطبيق في الظروف القصوى. وهذا يحمل أهمية كبيرة لتصميم المواد في قطاعات مثل الطاقة والنقل والفضاء، وقد يسهم في تطوير معادن هيكلية أكثر متانة، مما يعزز موثوقية وسلامة التقنيات ذات الصلة.