To eksperimentelle metall-legeringer har vist seg å beholde evnen til å motstå skade selv ved 20 kelvin, eller minus 253 grader celsius. Det tilsvarer minus 424 grader Fahrenheit. Funnene ble publisert 14. oktober i tidsskriftet Nature.

Forskergruppen fra University of California, Berkeley, Lawrence Berkeley National Laboratory og University of Oxford fant en ny mikroskopisk prosess som hindrer sprekkdannelse i legeringene. Oppdagelsen kan gi en ny retning for utvikling av konstruksjonsmetaller som skal fungere i svært kalde miljøer.

Blir vanligvis sprø i kulde

Når et metall kjøles ned, blir det som regel sterkere. Samtidig kan metallet bli mer sprøtt og dermed lettere sprekke eller brekke i stedet for å bøye seg når det utsettes for belastning.

Dette gjelder særlig en gruppe materialer som kalles kroppssentrerte kubiske metaller. Jern, wolfram og krom er eksempler på slike metaller. Atomene i materialene er ordnet i et bestemt krystallmønster som kan gjøre dem sårbare for sprøbrudd ved svært lave temperaturer.

Når temperaturen nærmer seg det absolutte nullpunktet, kan en liten sprekk som vanligvis ville blitt håndtert ved at metallet endrer form, i stedet spre seg videre og føre til brudd.

De to legeringene forskerne undersøkte, er laget av niob og titan. Selv etter nedkjøling til minus 253 grader celsius beholdt begge materialene en bemerkelsesverdig evne til å motstå skade. Forskerne målte ingen tydelig overgang til mer sprø oppførsel ved den laveste temperaturen som ble testet.

En annen måte å fordele belastningen på

Under normale forhold bøyer kroppssentrerte kubiske metaller seg ved hjelp av små feil i krystallstrukturen. Disse feilene kalles dislokasjoner. De gjør det mulig for atomlag å forskyve seg i forhold til hverandre, slik at materialet kan ta opp belastning uten å gå i stykker.

Dislokasjonene blir imidlertid stadig vanskeligere å flytte når temperaturen synker. Dermed får metallet færre muligheter til å håndtere kreftene som samler seg rundt en sprekk, og risikoen for brudd øker.

Legeringene som nå er undersøkt, har en alternativ måte å reagere på belastning. Forskerne observerte en prosess kalt tvillingdannelse på nanoskala. Da omorganiseres små deler av krystallstrukturen til speilvendte mønstre, samtidig som krystallstrukturen lokalt endres.

Når de nye områdene møter grensene mellom nabokrystaller, oppstår konsentrerte belastninger. Disse belastningene skaper flere dislokasjoner og gir metallet nye muligheter til å deformeres i stedet for å sprekke.

Forskerne sammenligner prosessen med et veinett som finner alternative ruter når de vanlige veiene er blokkert av is. Når ekstrem kulde gjør den vanlige deformasjonen vanskelig, gir de nye krystallstrukturene metallet andre veier for å håndtere belastningen.

På den måten kan materialet fortsette å ta opp kreftene rundt mulige bruddsoner, i stedet for å svikte plutselig.

Kan få betydning for materialer i ekstreme miljøer

Funnene peker mot en ny metode for å utvikle konstruksjonsmetaller som tåler svært lave temperaturer. Slike materialer kan være aktuelle i energisystemer, transport og luft- og romfartsteknikk, der komponenter kan bli utsatt for store temperaturbelastninger.

Professor Dong Liu ved Institutt for ingeniørvitenskap ved University of Oxford, som var prosjektets korresponderende forfatter, sier at overgangen fra seigt til sprøtt i flere tiår har blitt sett på som en grunnleggende begrensning for kroppssentrerte kubiske metaller.

«Det som overrasket oss, er at disse legeringene fortsatt tåler skade bemerkelsesverdig godt selv ved 20 kelvin. Ved å avdekke hvordan tvillingdannelse og faseomdanning virker sammen for å skape plastisk deformasjon før den konvensjonelle bevegelsen av dislokasjoner, fant vi en ny vei for å utvikle kroppssentrerte kubiske konstruksjonsmetaller som kan fungere i ekstreme kryogene miljøer. Denne materialklassen vil være svært nyttig for komponenter som opplever ekstrem varme og kulde i én og samme anvendelse», sier Liu.

Oppdagelsen kan også endre forskernes syn på hva som avgjør om et metall blir sprøtt. Tidligere har mye av oppmerksomheten vært rettet mot hvor lett eksisterende dislokasjoner kan bevege seg gjennom materialet. De nye resultatene tyder på at evnen til å danne nye dislokasjoner kan være like viktig.

Hovedforfatter Dr. David Cook, som var ved University of California, Berkeley da studien ble gjennomført og nå er ved University of Cambridge, sier at resultatene viser behovet for å revurdere hvordan overgangen til sprøhet i disse metallene forklares.

«Tradisjonelt har oppmerksomheten vært rettet mot hvor lett eksisterende dislokasjoner kan bevege seg gjennom et metall, men nå ser det ut til at evnen til å skape nye dislokasjoner ved grenseflater også kan være avgjørende. Med denne innsikten kan vi kanskje utforme mikrostrukturelle forhold som gjør at et materiale kan skape sine egne ruter for å forbli seigt ved ekstreme temperaturer», sier Cook.

Testet med nøytroner og mikroskop

For å undersøke hvordan legeringene oppførte seg under de krevende forholdene, gjennomførte forskerne forsøk ved hjelp av instrumentet Engin-X ved ISIS Neutron and Muon Source i Oxfordshire.

Metallprøvene ble kjølt ned til rundt minus 253 grader celsius ved hjelp av heliumgass. Samtidig sendte forskerne en nøytronstråle gjennom materialene og brukte en spesialutviklet testmaskin til å strekke prøvene ved å trekke i dem fra hver sin ende.

Oppsettet gjorde det mulig å måle hvor store krefter metallene tålte, og hvor langt de kunne strekkes før de brakk. Nøytronmålingene ga også informasjon om hva som skjedde inne i materialene mens de ble deformert.

Etter testene undersøkte forskerne prøvene med kraftige elektronmikroskoper. Bildene viste svært små endringer i metallstrukturen, blant annet i områdene nær sprekkene. Disse endringene bidro til å forklare hvorfor legeringene motsto skade på en uvanlig god måte.

Teamet brukte også atomsondeanalyse for å kartlegge hvordan de enkelte grunnstoffene var fordelt i legeringene. Sammen med datamodeller gjorde målingene det mulig å undersøke hvordan flere mikroskopiske prosesser virket sammen for å hindre sprøbrudd.

Resultatene forklarer dermed ikke bare den overraskende oppførselen til de to eksperimentelle legeringene. De peker også mot en mulig strategi for å utvikle metaller som forblir seige selv når de vanlige mekanismene for deformasjon slutter å fungere.

Samarbeidet omfattet forskere fra University of California, Berkeley, Lawrence Berkeley National Laboratory, University of Oxford, University of Bristol, ISIS Neutron and Muon Source under Science and Technology Facilities Council, University of California, Irvine, Pacific Northwest National Laboratory, Texas A&M University og Nanyang Technological University i Singapore.