โลหะผสมใหม่รักษาความแข็งแรงได้ในอุณหภูมิต่ำสุด นักวิทยาศาสตร์ค้นพบกลไกกันแตกใหม่

คู่โลหะผสมทดลองรักษาความแข็งแรงคงอยู่ที่อุณหภูมิ 20 เคลวิน (คือ องศาฟาเรนไฮต์ลบ 423 หรือ องศาเซลเซียสลบ 253) ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่โลหะประเภทเดียวกันมักจะเปราะบางและแตก การวิจัยครั้งนี้นำโดยทีมระหว่างประเทศจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียวิทยาเขตเบอร์เกลีย ห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอเรนซ์เบอร์เกลีย และมหาวิทยาลัยอ็อกซ์ฟอร์ด การศึกษาระบุว่า โลหะผสมที่พัฒนาจากทังสเตนและไทเทเนียม หลีกเลี่ยงความล้มเหลวด้วยกลไกจุลทรรศน์ที่แปลกใหม่ ซึ่งอาจเป็นแนวทางสำหรับการออกแบบวัสดุที่ใช้ในสภาพแวดล้อมอุณหภูมิต่ำ

ทำไมความเย็นจึงทำให้โลหะบางชนิดแตก

ความเปราะบางของโลหะในอุณหภูมิต่ำ

โลหะส่วนใหญ่เมื่อเย็นลงจะแข็งแรงขึ้น แต่โลหะแบบ body-centered cubic (BCC) เช่น เหล็ก ทังสเตน และโครเมียม เนื่องจากโครงสร้างอะตอม จึงเปราะบางขึ้นตามลำดับเมื่ออุณหภูมิลดลง ที่อุณหภูมิต่ำสุด รอยแตกที่ปกติจะถูกดูดซับโดยการดัดของโลหะ อาจนำไปสู่การแตกขาด กระบวนการดัดของโลหะเหล่านี้พึ่งพา "ดิสโลเคชัน" (dislocation) หรือข้อบกพร่องเส้นในโครงสร้างผลึก ซึ่งเลื่อนภายในวัสดุ ในสภาพแวดล้อมเย็นสุดขั้ว การเคลื่อนที่ของดิสโลเคชันกลายเป็นยากขึ้น จำกัดความสามารถของโลหะในการดัดรอบรอยแตก ทำให้แนวโน้มแตกขาดเพิ่มขึ้น

เส้นทางการดัดที่แตกต่างกัน

กลไกการดัดของโลหะผสม

ในโลหะผสมทั้งสองชนิดนี้ มีกระบวนการที่แตกต่างเป็นตัวนำ นักวิจัยสังเกตเห็นปรากฏการณ์ทวินนิ้ง (twinning) ในระดับนาโน พื้นที่เล็กๆ ของผลึกจัดเรียงในทิศทางกระจกเงา และโครงสร้างผลึกท้องถิ่นเกิดการเปลี่ยนแปลง เมื่อพื้นที่ที่เพิ่งก่อตัวใหม่เหล่านี้ไปถึงขอบเขตของผลึกข้างเคียง จะสร้างจุดเครียดแบบเข้มข้น กระตุ้นข้อบกพร่องใหม่ ข้อบกพร่องเหล่านี้ทำให้โลหะสามารถดัดต่อไปได้โดยไม่แตก ทีมวิจัยเปรียบเทียบเหมือนเครือข่ายถนนที่วางแผนใหม่บนถนนปิดที่แข็งตัวจากน้ำแข็ง: เมื่อเส้นทางการดัดปกติใช้งานยาก ทวินนิ้งจะเปิดทางใหม่ ให้ข้อบกพร่องที่จำเป็นเกิดขึ้น

ที่อุณหภูมิต่ำสุดในการทดสอบ โลหะผสมเหล่านี้ไม่แสดงการเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมแบบเปราะบางที่วัดได้

การทดสอบในสภาพแวดล้อมเย็นสุดขั้ว

นักวิจัยใช้เครื่องมือ Engin-X ที่แหล่งนิวตรอนและมิวออน ISIS ในจังหวัดอ็อกซ์ฟอร์ดเชียร์ ทำให้ตัวอย่างเย็นลงจนถึงประมาณ องศาเซลเซียสลบ 253 และทดสอบด้วยก๊าซฮีเลียม เครื่องทดสอบดึงตัวอย่างจากสองข้างพร้อมสำรวจด้วยที่ปั่นนิวตรอน วัดแรงที่โลหะทนได้และระยะที่ดึงยืดได้ก่อนล้มเหลว ต่อมา กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเผยโครงสร้างที่เปลี่ยนแปลงรอบรอยแตกและภายในวัสดุ ในขณะที่การวิเคราะห์โปรบอะตอม (atom probe) วาดแผนการกระจายของธาตุต่างๆ โมเดลคอมพิวเตอร์ช่วยอธิบายว่ากลไกเหล่านี้ทำงานร่วมกันอย่างไรเพื่อป้องกันความล้มเหลวแบบเปราะบาง

ความสำคัญของการวิจัย

การประยุกต์ใช้ที่เป็นไปได้ของการวิจัย

Dong Liu ผู้เขียนตอบสนองจากภาควิชาวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยอ็อกซ์ฟอร์ด ระบุว่า การเปลี่ยนแปลงจากความแข็งแรงเป็นเปราะบาง มาเป็นเวลานานถูกมองว่าเป็นข้อจำกัดพื้นฐานของโลหะแบบ body-centered cubic (BCC) เขา指出ว่า โลหะผสมเหล่านี้ที่ 20 เคลวินยังคง "ทนทานต่อความเสียหายค่อนข้างดี" ซึ่งเปิดทางคิดใหม่สำหรับการออกแบบโลหะโครงสร้างที่ทำงานในสภาพแวดล้อมอุณหภูมิต่ำสุด รวมถึงชิ้นส่วนที่ในหนึ่งการประยุกต์ใช้ต้องเผชิญทั้งอุณหภูมิสูงสุดและต่ำสุด ผู้เขียนหลัก David Cook ซึ่งในช่วงวิจัยอยู่ที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียวิทยาเขตเบอร์เกลีย ปัจจุบันทำงานที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ กล่าวว่า นักวิจัยในอดีตมักเน้นที่ความง่ายในการเคลื่อนที่ของดิสโลเคชันที่มีอยู่

เขากล่าวว่า ความสามารถในการสร้างดิสโลเคชันใหม่ที่พื้นผิวแบ่ง (interface) อาจสำคัญไม่แพ้กัน ซึ่งช่วยให้ผู้ออกแบบสร้างโครงสร้างจุลทรรศน์ที่รักษาความแข็งแรงของโลหะได้ในอุณหภูมิสุดขั้ว

นักวิจัยระบุว่า การค้นพบนี้อาจให้แนวทางสำหรับการออกแบบวัสดุในด้านพลังงาน ขนส่ง และการบินและอวกาศ สถาบันอื่นที่ร่วมมีส่วนรวมถึง มหาวิทยาลัยบริสตอล แหล่งนิวตรอนและมิวออน ISIS มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียวิทยาเขตอิร์ไวน์ ห้องปฏิบัติการแห่งชาติแปซิฟิกนอร์ทเวสต์ มหาวิทยาลัยเท็กซัส A&M และมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีนานยางแห่งใหม่สิงคโปร์ การวิจัยนี้ตีพิมพ์ครั้งแรกในวารสาร "Nature"

ศักยภาพการประยุกต์ใช้ของโลหะผสมใหม่ในสภาพแวดล้อมสุดขั้ว

การวิจัยนี้เผยกลไกที่โลหะผสมใหม่รักษาความแข็งแรงได้ในอุณหภูมิต่ำสุด ท้าทายความเข้าใจเดิมเกี่ยวกับโลหะแบบ body-centered cubic (BCC) โดยทั่วไป โลหะประเภทนี้ในอุณหภูมิต่ำจะกลายเป็นเปราะบาง ในขณะที่โลหะผสมใหม่หลีกเลี่ยงความล้มเหลวด้วยปรากฏการณ์ทวินนิ้ง (twinning) ในระดับนาโน แสดงศักยภาพการประยุกต์ใช้ในเงื่อนไขสุดขั้ว ซึ่งมีความสำคัญมากต่อการออกแบบวัสดุในด้านพลังงาน ขนส่ง และการบินและอวกาศ อาจส่งเสริมการพัฒนาโลหะโครงสร้างที่ทนทานกว่า ทำเพิ่มความน่าเชื่อถือและความปลอดภัยของเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้อง