Eksi 253 derecede kırılmayan alaşım: Aşırı soğuğa dayanıklı metallerde devrim

Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley, Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı ve Oxford Üniversitesi liderliğindeki uluslararası ekip, aşırı soğukta metallerin kırılganlaşmasına karşı yeni bir mekanizma ortaya çıkardı. Nature dergisinde yayımlanan araştırmada, iki deneysel niyobyum-titanyum alaşımı 20 Kelvin, yaklaşık eksi 253 santigrat derece seviyesinde sünekliğini korudu.

Demir, tungsten ve krom gibi hacim merkezli kübik (BCC) kristal yapısına sahip metallerde sıcaklık düştüğünde, 'dislokasyon' adı verilen kristal kusurlarının hareketi zorlaşıyor. Metalin şekil değiştirerek karşılayamadığı gerilimler de ani kırılmalara yol açabiliyor. Yeni alaşımlarda ise bu sınırlamayı aşan farklı bir deformasyon süreci gözlendi.

NÖTRONLARLA İÇYAPI İNCELEMESİ 

Araştırmacılar, malzemelerin kriyojenik koşullardaki davranışını incelemek için İngiltere’nin Oxfordshire bölgesindeki ISIS Nötron ve Müon Kaynağı’nın Engin-X test istasyonunu kullandı. Gaz halindeki helyumla yaklaşık eksi 253 dereceye, yani eksi 424 Fahrenheit’a kadar soğutulan numunelere iki uçtan çekme kuvveti uygulandı.

Aynı anda nötron ışınlarıyla alaşımların iç yapısındaki değişimler izlendi. Ölçümler, numunelerin kırılmadan önce yüksek kuvvetlere dayanabildiğini ve bu düşük sıcaklıkta şekil değiştirerek uzamayı sürdürdüğünü gösterdi.

YENİ KUSURLARLA DİRENÇ 

Elektron mikroskobu ve atom probu analizleri, alaşımların çatlak çevresindeki gerilime nasıl karşılık verdiğini ortaya koydu. Mevcut dislokasyonların hareket kabiliyetinin azaldığı sıcaklıklarda, malzemelerde nano ölçekli ikizlenme ve yerel faz dönüşümleri oluştu.

Ayna görüntüsüne benzer kristal düzenlemeleri içeren bu yapılar, komşu kristallerin sınırlarına ulaştığında gerilimi belirli noktalarda yoğunlaştırdı. Bu yoğunlaşma da sınır bölgelerinde yeni dislokasyonların oluşmasını tetikledi. Böylece alaşımlar, mevcut kusurların hareketine bağlı kalmadan yeni kusurlar üreterek şekil değiştirebildi ve çatlak çevresindeki enerjiyi soğurdu.

SANAYİ İÇİN POTANSİYEL 

Çalışmanın başyazarı Dr. David Cook, bulguların metallerin kırılganlığa geçişini açıklayan uzun süreli teorik yaklaşımı değiştirdiğini belirtti. Cook, arayüzlerde yeni dislokasyon üretme kabiliyetinin, aşırı soğukta sünekliğini koruyan alaşımların tasarımında belirleyici olabileceğini söyledi. Oxford Üniversitesi’nden Prof. Dong Liu da BCC metallerde 20 Kelvin seviyesinde elde edilen direncin önemine dikkat çekti.

Araştırmacılar, mekanizmanın derin uzay araçları, sıvı hidrojen depolama sistemleri ve süper iletken enerji iletim hatları için yeni malzemeler geliştirilmesine katkı sağlamasını bekliyor. Aşırı sıcak ve kriyojenik koşullarla karşılaşan havacılık bileşenleri de olası uygulama alanları arasında yer alıyor.