Nemški škratje skovali čarobno zlitino

Raziskovalci z inštituta Maxa Plancka za raziskovanje železa v Düsseldorfu so razvili novo zlitino, ki je zelo trdna, a hkrati tudi žilava. Zlitina spada med tako imenovane visokoentropijske zlitine, ki dosežejo veliko trdnost z naključno razporeditvijo atomov različnih kovin v kristalnih rešetkah. Tipične visokoentropijske zlitine vsebujejo enakomerne deleže elementov, kot so železo, mangan, nikelj, krom in kobalt.

Zaradi omenjene naključne razporeditve atomov teh kovin se dislokacije oziroma nepravilnosti v strukturi kristalov v zlitini težje premikajo, kar poveča trdnost materiala. Slabost velike trdnosti pri tovrstnih materialih pa je krhkost - sicer zdržijo veliko silo, a se že pri majhnih deformacijah zdrobijo na manjše koščke.

Nasprotno pa dislokacije med kristali v kovinah z veliko vsebnostjo železa brez težav potujejo po strukturi, če material izpostavimo napetostim. Jeklo se v tem primeru deformira, vendar se ne poruši. Pri samem procesu deformacije pa se porabi velika količina energije, kar je koristno pri avtomobilskih trkih in v drugih podobnih situacijah.

Pri novo razviti zlitini pa je raziskovalcem uspelo z dodajanjem železa in mangana ustvariti dvofazno kristalno strukturo, kar pomeni, da vsebuje tako trdne kot tudi žilave predele. Zlitina z najboljšimi lastnostmi je vsebovala 50 odstotkov železa, 30 odstotkov mangana ter po 10 odstotkov kroma in kobalta.

Zaradi žilavih predelov se v dvofazni visokoenteropijski zlitini pri obremenitvi veliko dislokacij premika, pri čemer se porablja energija. Vseeno pa zaradi predelov z veliko trdnostjo manjša sila zlitine še ne uspe deformirati.

Za stvaritev omenjene dvofazne strukture pa so raziskovalci na glavo obrnili tudi utečen postopek izdelave visokoentropijskih zlitin in s tem izkoristili fazne nestabilnosti v vročem stanju. To pomeni, da so material začeli ohlajati, še preden bi se atomi različnih kovin povsem pomešali med sabo.

Zlitino so pridobili s segrevanjem v vakuumski indukcijski peči, vročim valjanjem pri 900 °C, homogeniziranjem za dve uri pri 1200 °C v argonovi atmosferi in kaljenjem v vodi. Pridobljena zlitina je imela s tem kristalna zrna v velikosti 45 mikrometrov. Še dodatno izboljšanje strukture z desetkratnim zmanjšanjem kristalnih zrn pa so dosegli s hladnim valjanjem in žarjenjem za tri minute na 900 °C v argonovi atmosferi.

Avtorji raziskave poudarjajo, da je še veliko možnosti za izboljšavo strukture materialov. Na tem primeru so dokazali le koncept uporabnosti tovrstnih dvofaznih visokoentropijskih zlitin in pokazali, kako je mogoče preseči kompromis med trdnostjo in žilavostjo.

Med metalurške izraze se je zakopal Jaka.