חוקרים המציאו גישה מבוססת מכניקת קוונטים המשפרת באופן משמעותי את החיזוי והשיפור של משיכות המתכת, מה שמוביל לפיתוח של מתכות עמידות כל כך שהן יכולות להיחשב "בלתי שבירות" עבור היישום הנתון שלהן. קרדיט: twoday.co.il.com
מדענים פיתחו שיטה מבוססת מכניקת קוונטים כדי לחזות את משיכותן של מתכות, והוכחה כיעילה במיוחד עבור חומרים המשמשים בתנאי טמפרטורה גבוהה. גישה חדשנית זו, המדגישה את החשיבות של עיוות אטומי מקומי, מאפשרת בדיקה מהירה של אלפי חומרים, ולייעל את תהליך הפיתוח עבור תעשיות כמו תעופה וחלל ואנרגיה.
צוות של מדענים מהמעבדה הלאומית של איימס ומאוניברסיטת טקסס A&M פיתח דרך חדשה לחזות משיכות מתכת. גישה זו המבוססת על מכניקת קוונטים ממלאת צורך בדרך זולה, יעילה ובעלת תפוקה גבוהה לניבוי משיכות. הצוות הוכיח את יעילותו על סגסוגות רב-עיקריות-אלמנטים עקשן. אלו הם חומרים בעלי עניין לשימוש בתנאי טמפרטורה גבוהים, עם זאת, לעתים קרובות אין להם גמישות הכרחית עבור יישומים פוטנציאליים בתעופה וחלל, בכורי היתוך ובטורבינות יבשתיות.
הצוות מצא שפעילות מטען גבוהה יותר (מוגברת) אחראית לשיפור המשיכות במתכות קוביות במרכז הגוף. האזור הצהוב, המייצג את המטען האלקטרוני הגבוה יותר באינטרסטיציאלים (אזור שבין האטומים), מתאים לפעילות המטען המוגברת שמובילה לגמישות גבוהה יותר. האזורים התכולים הם ביניים עם פעילות מטען חלשה יותר. בתמונה זו, כל אטום מיוצג על ידי צבע שונה, טנטלום (Ta), מוליבדן (Mo) וטונגסטן (W) כמפורט לעיל. קווי המתאר הכחולים, הורודים והאדומים מראים התפלגות מטען סביב כל אתר. קרדיט: משרד האנרגיה של ארה"ב, המעבדה הלאומית של איימס
האתגר של חיזוי גמישות מתכת
גמישות מתארת עד כמה חומר יכול לעמוד במאמץ פיזי מבלי להיסדק או להישבר. לדברי Prashant Singh, מדען במעבדת איימס ומוביל מאמצי התכנון התיאורטיים, אין כיום דרכים חזקות לחזות משיכות מתכת. בנוסף, ניסוי ניסוי וטעייה הוא יקר ודורש זמן, במיוחד בתנאים קיצוניים.
דרך טיפוסית לדגמן אטומים היא עם כדורים נוקשים שהם סימטריים. עם זאת, סינג הסביר כי בחומרים אמיתיים, האטומים בגדלים שונים ויש להם צורות. כאשר מערבבים אלמנטים עם אטומים בגדלים שונים, האטומים מסתגלים ללא הרף כדי להשתלב בחלל הקבוע. התנהגות זו יוצרת עיוות אטומי מקומי.
מכניקת הקוונטים משפרת את חיזוי הגמישות
הניתוח החדש משלב עיוות אטומי מקומי בקביעה אם חומר הוא שביר או רקיע. זה גם מרחיב את היכולות של הגישות הנוכחיות. "הם (הגישות הנוכחיות) לא מאוד יעילים בהבחנה בין מערכות רקיעות לשבירות לשינויים קטנים בהרכב. אבל הגישה החדשה יכולה ללכוד פרטים כל כך לא טריוויאליים, כי עכשיו הוספנו תכונה מכנית קוונטית בגישה שהייתה חסרה", אמר סינג.
יתרון נוסף לשיטת בדיקת התפוקה החדשה הזו הוא היעילות שלה. סינג הסביר שהוא יכול לבדוק אלפי חומרים במהירות. המהירות והקיבולת מאפשרות לחזות אילו שילובי חומרים כדאי לקחת לרמת הניסוי. זה ממזער את הזמן והמשאבים הדרושים לגילוי חומרים אלה באמצעות שיטות ניסוי.
אימות והשלכות עבור יישומים בטמפרטורה גבוהה
כדי לקבוע עד כמה מבחן המשיכות שלהם עבד, Gaoyuan Ouyang, מדען מעבדת איימס, הוביל את מאמצי הניסוי של הצוות. הם ביצעו בדיקות אימות על קבוצה של סגסוגות רב-עיקריות-אלמנטיות (RMPEA) חזויות. RMPEAs הם חומרים בעלי פוטנציאל לשימוש בסביבות טמפרטורות גבוהות, כגון מערכות הנעה תעופה וחלל, כורים גרעיניים, טורבינות ויישומי אנרגיה אחרים.
באמצעות בדיקות האימות שלהם, הצוות מצא כי "המתכות החזויות עברו דפורמציה משמעותית תחת לחץ גבוה, בעוד המתכת השבירה נסדקת בעומסים דומים, מה שמאשר את החוסן של השיטה המכאנית הקוונטית החדשה", אמר Ouyang.
מחקר זה נדון עוד במאמר, "מדד משיכות לסגסוגות רב-עיקריות מבוססות עקשן", שנכתב על ידי Prashant Singh, Brent Vela, Gaoyuan Ouyang, Nicolas Argibay, Jun Cui, Raymundo Arroyave, and Duane D. Johnson , ופורסם ב Acta Materialia.
