Kako povećati fleksibilnost materijala?

Gotovo 100 godina naučnici su smatrali da razumiju sve o tome kako se metali savijaju. Nisu bili u pravu. Iznenađujuće otkriće ne samo da povlači prethodne predodžbe o tome kako se metali deformišu, već bi moglo pomoći u stvaranju čvršćih, izdržljivijih materijala.

Istraživači materijala na Univerzitetu Wisconsin-Madison došli su do iznenađujućeg otkrića koje povlači prethodne predodžbe o tome kako se metali deformišu i koje može pomoći u stvaranju čvršćih i izdržljivijih materijala. Ovo stvara nove mogućnosti za dizajn materijala. Dodaje se još jedan parametar koji možemo kontrolisati kako bismo omogućili čvrstoću i duktilnost. Duktilnost je sposobnost metala da se savija. Većina pristupa za povećanje čvrstoće metala to čini na štetu fleksibilnosti – a kako metali postaju otporniji na savijanje, vjerojatnije je da će puknuti pod pritiskom.

Međutim, novi mehanizam savijanja mogao bi inženjerima omogućiti da ojačaju materijal bez opasnosti od loma. Ovaj tim istraživača otvorio je sasvim novo područje za istraživanje obrade i dizajna konstrukcijskih materijala. Tako snažnim otkrićem, potencijalno je postavljen tehnički temelj za razvoj nove generacije naprednih konstrukcijskih materijala koji bi se eventualno mogli upotrijebiti u budućoj vojnoj opremi i vozilima. Inžinjeri obično manipulišu čvrstoćom metala tehnikama kao što su hladna obrada ili žarenje, koje svoje djelovanje iskazuju malim, a opet važnim konstrukcijskim nepravilnostima koje se nazivaju dislokacijama.

Svi znaju da su dislokacije ključne.

Riječ je o truizmu koji traje od 1934. godine, kada su tri istraživača shvatila da dislokacija objašnjava  stari paradoks: Metali su mnogo lakši za savijanje nego njihove molekularne strukture – koje obično imaju oblik redovno ponavljajućih trodimenzionalnih mreža. Dislokacije su sitne nepravilnosti u inače dobro uređenoj kristalnoj rešetki metala. Oni nastaju iz neznatnih neusklađenosti – zamislite stranice knjige kao nizove atoma i zamislite kako uredni snop papira postaje toliko neznatno iskrivljen na mjestu gdje netko ubacuje „bookmark“ oznaku.

Normalni metali se savijaju jer se dislokacije mogu kretati, omogućujući materijalu da se deformiše, a da ne razdvoji svaku pojedinu vezu unutar svoje kristalne rešetke odjednom. Tehnike jačanja obično ograničavaju kretanje dislokacija. Stoga je bio popriličan šok kada su ovi istraživači otkrili da se materijalni samarij kobalt  lako savija, iako su mu dislokacije bile pričvršćene na mjestu. Međutim, nedavna studija pokazuje da se samarij u značajnoj količini može deformisati, čak i kada dislokacije izostanu. Savijanje samarijum-kobalta uzrokovalo je stvaranje uskih traka unutar kristalne rešetke, gdje su molekule poprimale slobodnu formu “amorfne” konfiguracije, umjesto regularne, mrežaste strukture u ostatku metala.

Ta amorfna savijanja omogućila su savijanje metala.

Skoro kao podmazivanje. To je predviđeno u simulacijama, gdje su se mogli uočiti amorfni pojasi unutar eksperimenta deformacija i eksperimentima sa elektronskom mikroskopijom.

Kombinacija kompjuterskih simulacija i eksperimentalnih studija bila je presudna za objašnjenje konfuznih rezultata, zbog čega su istraživači izuzetno zainteresovani za otkrivanje misterije. Često je lakše izvesti teorijske simulacije kako bi se objasnili postojeći eksperimentalni rezultati. Ovdje se najprije teoretski predvidjelo postojanje traka i njihova ulogu u plastičnosti u samarijumskom kobaltu. Zatim su se ti rezultati eksperimentalno potvrdili s mnogo različitih vrsta eksperimenata kako bi testirali teoriju i bili sigurni da se predviđena pojava zaista može posmatrati u prirodi.

Istraživači planiraju potražiti druge materijale koji bi se mogli saviti na ovaj neobičan način. Na kraju se nadaju da će pomoću fenomena prilagoditi svojstva materijala za čvrstoću i fleksibilnost. Ovo bi moglo promijeniti način optimizacije svojstava materijala.

m-Kvadrat

print