지구상에서 가장 단단한 물질에 날아간 과학자들

작성자: 로렌스 버클리 국립 연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory)2022년 12월 11일

20 켈빈(-424 °F)에서 응력 테스트를 진행하는 동안 나노미터 규모의 CrCoNi 합금에서 파손 경로와 그에 수반되는 결정 구조 변형을 보여주는 현미경으로 생성된 이미지. 골절은 왼쪽에서 오른쪽으로 전파됩니다. 출처: Robert Ritchie/Berkeley Lab

A new study reveals the profound properties of a simple metal alloyA mixture of two metallic elements typically used to give greater strength or higher resistance to corrosion." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">합금.

과학자들은 크롬, 코발트, 니켈(CrCoNi)로 만든 금속 합금을 조사하면서 모든 재료 중에서 가장 높은 인성을 측정했습니다. 금속은 극도로 연성(재료 과학에서 높은 가단성을 의미함)과 인상적인 강도(영구 변형에 저항함을 의미함)일 뿐만 아니라, 온도가 낮아지면 강도와 연성이 향상됩니다. 이는 현존하는 대부분의 다른 재료와 반대되는 것입니다.

"동일한 장치에서 실리콘 조각의 인성은 1이고, 여객기의 알루미늄 기체는 약 35이며, 일부 최고의 강철의 인성은 약 100입니다. 따라서 500은 엄청난 숫자입니다." — 로버트 리치

로렌스 버클리 국립 연구소(Berkeley Lab)와 오크리지 국립 연구소의 연구원들이 이끄는 팀은 2022년 12월 1일 사이언스 저널에 기록적인 연구 결과를 발표했습니다.

ORNL과 테네시 대학의 고급 합금 이론 및 개발 담당 주지사이자 프로젝트 공동 책임자인 Easo George는 "구조 재료를 설계할 때 강하면서도 연성이 있고 파손에 대한 저항성이 있어야 합니다"라고 말했습니다. "일반적으로 이러한 특성 사이의 절충안입니다. 하지만 이 재료는 두 가지 특성을 모두 갖추고 있으며 저온에서 부서지기보다는 더욱 단단해집니다."

CrCoNi는 고엔트로피 합금(HEA)이라고 불리는 금속 종류의 하위 집합입니다. 오늘날 사용되는 모든 합금은 한 원소의 비율이 높고 추가 원소의 양은 적지만 HEA는 각 구성 원소를 동일하게 혼합하여 만들어집니다. 이러한 균형 잡힌 원자 레시피는 이러한 재료 중 일부에 응력을 가할 때 매우 높은 강도와 ​​연성의 조합을 부여하는 것으로 보이며, 이를 함께 구성하여 "인성"이라고 합니다. HEA는 약 20년 전 처음 개발된 이후 뜨거운 연구 분야였지만, 극한 테스트에서 재료를 한계까지 밀어붙이는 데 필요한 기술은 최근까지 이용 가능하지 않았습니다.

"The toughness of this material near liquid helium temperatures (20 kelvin, -424 °FahrenheitThe Fahrenheit scale is a temperature scale, named after the German physicist Daniel Gabriel Fahrenheit and based on one he proposed in 1724. In the Fahrenheit temperature scale, the freezing point of water freezes is 32 °F and water boils at 212 °F, a 180 °F separation, as defined at sea level and standard atmospheric pressure. " data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> 화씨)는 500메가파스칼 제곱근 미터에 달합니다. 동일한 장치에서 실리콘 조각의 인성은 1이고, 여객기의 알루미늄 기체는 약 35이며, 일부 최고의 강철의 인성은 약 100입니다. 따라서 500은 엄청난 숫자입니다."라고 연구는 말했습니다. 공동 리더인 Robert Ritchie는 Berkeley Lab의 재료 과학 부문 선임 과학자이자 UC Berkeley의 Chua 공학 교수입니다.

Ritchie와 George는 거의 10년 전부터 CrCoNi와 망간과 철도 포함하는 또 다른 합금(CrMnFeCoNi)으로 실험을 시작했습니다. 그들은 합금 샘플을 만든 다음 재료를 액체 질소 온도(약 77켈빈 또는 -321°F)로 낮추고 인상적인 강도와 인성을 발견했습니다. 그들은 즉시 액체 헬륨 온도 범위에서의 테스트를 통해 작업을 추적하기를 원했지만, 그렇게 추운 환경에서 샘플 응력 테스트를 수행할 수 있는 시설을 찾고, 재료에서 어떤 일이 일어나는지 분석하는 데 필요한 분석 도구와 경험을 갖춘 팀원을 모집했습니다. 원자 수준에서는 다음 10년이 걸렸습니다. 다행히 결과는 기다릴 만한 가치가 있었습니다.