地球上で最も硬い物質に吹き飛ばされた科学者

ローレンス・バークレー国立研究所2022年12月11日

20 ケルビン (-424 °F) での応力試験中の CrCoNi 合金の破壊経路とそれに伴う結晶構造の変形をナノメートルスケールで示す顕微鏡で生成された画像。 骨折は左から右に広がっています。 クレジット: 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"}]">合金。

科学者たちは、クロム、コバルト、ニッケルで作られた金属合金 (CrCoNi) を調査する際に、あらゆる材料の中でこれまでに記録された最高の靭性を測定しました。 この金属は非常に延性が高く（材料科学では展性が高いことを意味します）、驚くほど強いだけでなく（永久変形に強いことを意味します）、寒くなるにつれて強度と延性が向上します。 これは、存在する他のほとんどのマテリアルに反します。

「同じ単位では、シリコン片の靭性は 1、旅客機のアルミニウム機体の靭性は約 35、最高級の鋼鉄の一部の靭性は約 100 です。つまり、500 ということは、驚異的な数字です。」 — ロバート・リッチー

ローレンス・バークレー国立研究所（バークレー研究所）とオークリッジ国立研究所の研究者らが率いるこのチームは、記録破りの発見を記した研究結果を2022年12月1日付のサイエンス誌に発表した。

「構造材料を設計するときは、強度がありながら延性があり、耐破壊性も備えていることが望まれます」と、プロジェクトの共同責任者であり、ORNL およびテネシー大学の先進合金理論および開発の知事議長である Easo George 氏は述べています。 「通常、これらの特性の妥協点が求められます。しかし、この材料はその両方を兼ね備えており、低温では脆くなるのではなく、より強靭になります。」

CrCoNi は、高エントロピー合金 (HEA) と呼ばれる金属のサブセットです。 現在使用されている合金はすべて、1 つの元素を高い割合で含み、追加元素の添加量は少量ですが、HEA は各構成元素を均等に混合して作られています。 これらのバランスの取れた原子レシピは、これらの材料の一部に、応力がかかったときの強度と延性の非常に高い組み合わせを与えているようで、これらが合わせて「靭性」と呼ばれるものを構成します。 HEA は、約 20 年前に初めて開発されて以来、研究が盛んに行われてきましたが、極限の試験で材料を限界まで押し上げるために必要な技術は、最近まで利用可能ではありませんでした。

"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"}]">華氏）は 500 メガパスカル平方根メートルにもなります。 同じ単位では、シリコン片の靭性は 1、旅客機のアルミニウム機体の靭性は約 35、最高級の鋼鉄の一部の靭性は約 100 です。つまり、500 ということは、驚異的な数字です」と研究者は述べています。共同リーダーのロバート・リッチー氏は、バークレー研究所材料科学部門の上級研究員であり、カリフォルニア大学バークレー校のチュア工学教授です。

リッチーとジョージは、ほぼ 10 年前に CrCoNi と、マンガンと鉄を含む別の合金 (CrMnFeCoNi) の実験を始めました。 彼らは合金のサンプルを作成し、材料を液体窒素温度 (約 77 ケルビン、つまり -321 °F) まで下げ、驚くべき強度と靭性を発見しました。 彼らはすぐに液体ヘリウム温度範囲でのテストで作業を続行したいと考えましたが、そのような低温環境でサンプルのストレステストを可能にする施設を見つけ、材料内で何が起こっているかを分析するために必要な分析ツールと経験を持つチームメンバーを採用しました。原子レベルの完成にはその後10年かかりました。 ありがたいことに、待った甲斐のある結果が得られました。

金属を含む多くの固体物質は、単位格子と呼ばれる繰り返しの 3D 原子パターンを特徴とする結晶形で存在し、格子と呼ばれるより大きな構造を構成します。 材料の強度と靱性、またはその欠如は、格子の物理的特性によって決まります。 完璧な結晶は存在しないため、材料内の単位格子には必然的に「欠陥」が含まれます。その顕著な例は転位、つまり変形していない格子と変形した格子が出会う境界です。 力が材料に加えられると、たとえば金属スプーンを曲げることを考えてください。格子を通る転位の動きによって形状が変化します。 転位が動きやすいほど、材料は柔らかくなります。 しかし、転位の動きが格子の凹凸などの障害物によって妨げられると、転位内の原子を動かすためにより大きな力が必要となり、材料はより強くなります。 逆に、障害物があると通常、材料がより脆くなり、亀裂が発生しやすくなります。

「電子顕微鏡の高速電子検出器の開発のおかげで、この予期せぬ変化を視覚化することができました。これにより、異なる種類の結晶を識別し、その内部の欠陥を単一ナノメートルの分解能で定量化できるようになりました。数個の原子 – 結局のところ、これは変形した NiCoCr 構造の欠陥とほぼ同じサイズです。」 — アンドリュー・マイナー

Using neutron diffraction, electron backscatter diffraction, and transmission electron microscopy, Ritchie, George, and their colleagues at Berkeley Lab, the University of BristolThe University of Bristol, a red brick research university in Bristol, England, received its royal charter in 1909. However, it can trace its history back to 1876 (as University College, Bristol) and 1595 (as Merchant Venturers School). It is organized into six academic faculties composed of multiple schools and departments running over 200 undergraduate courses." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">ブリストル大学、ラザフォード・アップルトン研究所、およびニューサウスウェールズ大学は、室温および 20 K で破壊した CrCoNi サンプルの格子構造を検査しました。 (強度と延性を測定するために、未加工の金属試験片を破壊するまで引っ張ります。一方、破壊靱性試験では、サンプルを引っ張る前に意図的に鋭い亀裂をサンプルに導入し、亀裂が成長するのに必要な応力を測定します。)

これらの技術から生成された画像と原子マップから、合金の靱性は、材料に力が加わったときに特定の順序で影響を与える 3 つの転位障害によるものであることが明らかになりました。 まず、転位の移動により、結晶の領域が平行面上の他の領域から滑り落ちます。 この動きにより単位セルの層が移動し、そのパターンが滑りの動きに垂直な方向に一致しなくなり、一種の障害物が作成されます。 金属にさらに力が加わると、ナノ双晶と呼ばれる現象が発生します。この現象では、格子の領域が境界を挟んで鏡映対称を形成します。 最後に、金属に力が作用し続けると、系に加えられたエネルギーによって単位格子自体の配置が変化し、CrCoNi 原子が面心立方晶から六方最密充填として知られる別の配置に切り替わります。

この一連の原子相互作用により、金属は流れ続けることが保証されますが、同時に、ほとんどの材料が歪みによって折れる点をはるかに超えた障害物からの新たな抵抗にも遭遇し続けます。 「つまり、引っ張っていると、最初のメカニズムが始動し、次に 2 番目のメカニズムが始動し、次に 3 番目のメカニズムが始動し、次に 4 番目のメカニズムが始動します」とリッチーは説明しました。 「さて、多くの人はこう言うだろう、普通の材料でナノ双晶形成を見たし、通常の材料でスリップも見たことがある。それは本当だ。それについて何も新しいことはないが、それらすべてがこの魔法のような順序で起こるという事実である」それは私たちにこれらの本当に素晴らしい特性を与えてくれます。」

HEAに関する他の最近の研究と併せて、このチームの新たな発見は、材料科学コミュニティに、物理的特性がどのように性能を生み出すかについての長年の概念を再考させる可能性がある。 「冶金学者は、材料の構造がその特性を決めると言っているので、これは面白いことですが、NiCoCr の構造は想像できる最も単純なもので、単なる粒子です」とリッチー氏は言います。 「しかし、それを変形させると、構造は非常に複雑になり、この変化はその並外れた耐破壊性を説明するのに役立ちます」と共著者であるバークレー研究所分子鋳造所国立電子顕微鏡施設所長のアンドリュー・マイナー氏は付け加えた。カリフォルニア大学バークレー校の材料科学および工学教授。 「電子顕微鏡の高速電子検出器の開発のおかげで、この予期せぬ変化を視覚化することができました。これにより、異なる種類の結晶を識別し、その内部の欠陥を単一ナノメートルの分解能で定量化できるようになりました。数個の原子 – 結局のところ、これは変形した NiCoCr 構造の欠陥とほぼ同じサイズです。」

CrMnFeCoNi 合金も 20 ケルビンでテストされ、素晴らしい性能を発揮しましたが、より単純な CrCoNi 合金と同じ靭性は達成されませんでした。

CrCoNi 合金の内部構造がよりよく理解されるようになったことで、CrCoNi 合金と他の HEA が特殊な用途に採用されるまでに一歩近づいています。 これらの材料の作成には費用がかかるが、ジョージ氏は、深宇宙の極寒など、極端な環境によって標準的な金属合金が破壊される可能性がある状況での使用を予見している。 同氏とオークリッジのチームは、より豊富で安価な元素（電池業界での需要によりコバルトとニッケルが世界的に不足している）で作られた合金をどのように説得して同様の特性を持たせることができるかについても研究している。

進歩は興味深いものですが、リッチー氏は、現実世界での使用はまだ先になる可能性があると警告しています。それには十分な理由があります。 「飛行機に乗っているとき、高度 40,000 フィートの落下から身を守ってくれるのは、数か月前に開発されたばかりの機体合金であることを知りたいですか? それとも、その材料が成熟していてよく理解されていることを望みますか? だからこそ、構造材料が実際に使用されるようになるまでには、何年も、場合によっては数十年もかかることがあります。」

Dong Liu、Qin Yu、Saurabh Kabra、Ming Jiang、Paul Forna-Kreutzer、Rupeng Zhang、Madelyn Payne、Flynn Walsh、Bernd Gludovatz、Mark Asta、Andrew M. Major、Easo P. George、Robert O. Ritchie

この研究はエネルギー省科学局の支援を受けました。 低温機械試験と中性子回折は、筆頭著者の Dong Liu 氏が率いるラザフォード・アップルトン研究所の ENGIN-X ISIS 施設で実施されました。 顕微鏡検査は、バークレー研究所にあるDOE科学局のユーザー施設であるMolecular Foundryにある国立電子顕微鏡センターで行われました。 このプロジェクトの他の著者は、Qin Yu、Saurabh Kabra、Ming Jiang、Joachim-Paul Forna-Kreutzer、Ruopeng Zhang、Madelyn Payne、Flynn Walsh、Bernd Gludovatz、Mark Asta です。