پژوهش دانشگاه ایالتی اوهایو: نقص‌های بلوری مهندسی‌شده دو آلیاژ را بدون تغییر ترکیب شیمیایی مستحکم‌تر می‌کنند

تیمی به رهبری پژوهشگران دانشگاه ایالتی اوهایو گزارش داده است که نقص‌های بلوری عمداً ایجادشده و در شبکه‌های متراکم منظم چیده‌شده، دو آلیاژ فلزی را مستحکم‌تر کردند بدون آنکه ترکیب شیمیایی آنها تغییر کند. این پژوهش داوری‌شده طبق بیانیه خبری دانشگاه این هفته در مجله Science منتشر شد. هم‌نویسندگان از دانشگاه ارلانگن-نورنبرگ آلمان و آزمایشگاه ملی لورنس لیورمور در کالیفرنیا هستند.

این روش دو مرحله دارد. پژوهشگران نخست بلورهای دو ماده پایه کبالت، یک سوپرآلیاژ حاوی نیکل و یک آلیاژ کروم-تنگستن، را تغییر شکل دادند و سپس ماده را به‌آرامی با حرارت پیرسازی کردند. بیانیه می‌گوید این فرایند ویژگی‌های متراکم نازک اتمی در درون ساختار ایجاد کرد. عنوان مقاله، به نقل از TechXplore، این ویژگی‌ها را فازهای نقص دوبعدی منظم توصیف می‌کند. با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری به همراه شبیه‌سازی رایانه‌ای، تیم افزایش استحکام را به نحوه آرایش اتم‌ها در اطراف این نقص‌ها مرتبط کرد و بیانیه می‌گوید تغییر این آرایش می‌تواند بر استحکام ماده اثر بگذارد.

بر اساس بیانیه، این فرایند هم تنش قابل تحمل فلزات و هم مقاومت آنها در برابر تغییر شکل آهسته یا خزش در دمای بالا را به‌طور چشمگیری افزایش داد. نویسنده اصلی آندریاس بتسولد، استادیار وابسته علوم و مهندسی مواد در دانشگاه ایالتی اوهایو، گفت نتایج نشان می‌دهد لایه‌ای از نقص‌های مهندسی‌شده می‌تواند مکمل طراحی مرسوم مواد باشد. او گفت: «می‌خواستیم این ساختارهای تقویت‌کننده را بخش عمدی از طراحی ماده کنیم». این کار بر پایه پژوهش پیشین دانشگاه ایالتی اوهایو بنا شده که نشان داد نقص‌های شکل‌گرفته در حین تغییر شکل می‌توانند به لایه‌های تقویت‌کننده تبدیل شوند؛ بیانیه رویکرد جدید را نخستین روشی توصیف می‌کند که چگالی نقص‌هایی وارد کرده است که این آلیاژها را به‌طور کامل غنی می‌سازد.

هم‌نویسنده مایکل میلز، استاد علوم و مهندسی مواد در دانشگاه ایالتی اوهایو، گفت اگرچه نقص‌ها معمولاً با آسیب مرتبط‌اند، «نقص‌های مناسب با ساختار و شیمی مناسب واقعاً می‌توانند ماده را مستحکم‌تر کنند». بیانیه اشاره می‌کند که این رویکرد ممکن است سرانجام برای تولید آلیاژهای پراستحکام در تجهیزات در معرض دمای بالا به کار رود و موتورهای توربین هواپیما و ماشین‌آلات نیروگاه را به عنوان نمونه نام می‌برد، اما آن را احتمالی آینده معرفی می‌کند. بیانیه در حال حاضر می‌گوید سهم تیم گسترش اصول طراحی در مهندسی است.

نتایج بر پایه یک پژوهش داوری‌شده درباره دو آلیاژ مشخص است. بیانیه آزمایش‌های صنعتی، آزمون قطعات یا ارقام کمّی استحکام را گزارش نکرده و زمان‌بندی‌ای برای کاربرد عملی ارائه نداده است. بودجه از وزارت انرژی ایالات متحده و بنیاد ملی علوم تأمین شد، با حمایت بیشتر از بنیاد الکساندر فون هومبولت و مرکز میکروسکوپی الکترونی و تحلیل دانشگاه ایالتی اوهایو.