Nuove leghe di tungstenu sviluppate in u Gruppu Schuh à u MIT puderianu rimpiazzà l'uraniu impoveritu in i prughjetti perforanti. Zachary C. Cordero, studiente graduatu di scienze di materiali è ingegneria di u quartu annu, travaglia in materiale di bassa toxicità, alta resistenza è alta densità per rimpiazzà l'uraniu impoveritu in applicazioni militari strutturali. L'uraniu impoveritu pone un periculu potenziale per a salute per i suldati è i civili. "Questa hè a motivazione per pruvà à rimpiazzà", dice Cordero.

U tungstenu normale sbuchjarà o smussà à l'impattu, u peghju rendimentu pussibule. Allora a sfida hè di sviluppà una lega chì pò currisponde à a prestazione di l'uraniu impoveritu, chì diventa auto-affilante cum'è si taglia u materiale è mantene un nasu affilatu à l'interfaccia penetratore-target. "U tungstenu per sè stessu hè eccezziunale forte è duru. Avemu messu in altri elementi di lega per fà in modu chì pudemu cunsulidà in questu ughjettu in massa ", dice Cordero.

Una lega di tungstenu cù cromu è ferru (W-7Cr-9Fe) era significativamente più forte di l'aliaghji di tungstenu cummerciale, Cordero hà dettu in un documentu cù l'autore senior è u capu di u Dipartimentu di Scienza è Ingegneria di i Materiali Christopher A. Schuh è i culleghi in a rivista Metallurgical and Materials. Transacciones A. A migliione hè stata ottenuta da compacting powders di metalli in una pressa calda di sinterizzazione assistita da u campu, cù u megliu risultatu, misuratu da u struttura di granu fine è a più alta durezza, ottenuta à un tempu di trasfurmazioni di 1 minutu à 1.200 gradi Celsius. Tempi di trasfurmazioni più longu è temperature più elevate anu purtatu à i grani più grossi è a prestazione meccanica più debule. I co-autori includenu u studiente graduatu di l'ingegneria è di i materiali di u MIT Mansoo Park, u cumpagnu postdoctorale di Oak Ridge Emily L. Huskins, u prufessore associatu di u Boise State Megan Frary è u studiente graduatu Steven Livers, è l'ingegnere meccanicu è u capu di squadra di u Laboratorio di ricerca di l'Armata Brian E. Schuster. I testi balistici di sub-scala di l'alliage di tungstenu-cromu-ferru sò stati ancu realizati.

"Se pudete fà un tungstenu in massa nanostrutturatu o amorfu (liga), deve esse veramente un materiale balisticu ideale", dice Cordero. Cordero, nativu di Bridgewater, NJ, hà ricevutu una Borsa di Scienza è Ingegneria di Difesa Naziunale (NDSEG) in 2012 per mezu di l'Uffiziu di Ricerca Scientifica di l'Air Force. A so ricerca hè finanziata da l'Agenzia di Riduzzione di Minaccia di Difesa di i Stati Uniti.

Struttura a grana ultrafine

"U modu chì facciu i mo materiali hè cù a trasfurmazioni di polveri induve prima facemu u polveru nanocristallino è poi cunsulidamu in un oggettu in massa. Ma a sfida hè chì a cunsolidazione richiede l'esposizione di u materiale à temperature più elevate ", dice Cordero. Riscaldamentu di l'alliages à alta temperatura pò causà i grani, o duminii cristallini individuali, in u metale per ingrandà, chì li debilitatu. Cordero hà sappiutu ottene una struttura di granu ultrafine di circa 130 nanometri in u compactu W-7Cr-9Fe, cunfirmatu da micrografie elettroniche. "Usendu sta strada di trasfurmazioni di polveri, pudemu fà grandi campioni finu à 2 centimetri di diametru, o pudemu andà più grande, cù forza di compressione dinamica di 4 GPa (gigapascals). U fattu chì pudemu fà questi materiali cù un prucessu scalabile hè forse ancu più impressiunanti ", dice Cordero.

"Ciò chì pruvemu di fà cum'è un gruppu hè di fà cose in massa cù nanostrutture fini. U mutivu chì vulemu hè perchè questi materiali anu proprietà assai interessanti chì sò di putenziale usu in parechje applicazioni ", aghjusta Cordero.

Ùn si trova in a natura

Cordero hà ancu esaminatu a forza di polveri di lega metalliche cù microstrutture nanoscala in un documentu di ghjurnale Acta Materialia. Cordero, cù l'autore anzianu Schuh, hà utilizatu simulazioni computazionali è esperimenti di laboratoriu per dimustrà chì leghe di metalli cum'è tungstenu è cromu cù forze iniziali simili tendenu à homogenizà è pruduce un pruduttu finale più forte, mentri cumminazzioni di metalli cù una grande mancanza di forza iniziale cum'è. cum'è tungstenu è zirconiu tendenu à pruduce una lega più debule cù più di una fase presente.

"U prucessu di fresatura di bola d'alta energia hè un esempiu di una famiglia più grande di prucessi in quale deformate u diavule di u materiale per guidà a so microstruttura in un statu stranu senza equilibriu. Ùn ci hè micca un bonu quadru veramente per predichendu a microstruttura chì esce, cusì parechje volte hè prova è errore. Avemu pruvatu à caccià l'empirismu da a cuncepimentu di ligami chì formanu una suluzione solida metastable, chì hè un esempiu di una fase senza equilibriu ", spiega Cordero.

"Tu pruduci sti fasi non-equilibriu, cose chì normalmente ùn vedete micca in u mondu intornu à voi, in natura, utilizendu sti prucessi di deformazione veramente estremi", dice. U prucessu di fresatura di bola d'alta energia implica a cisatura ripetuta di e polveri metalliche cù a cisatura chì guida l'elementi di l'alliage à mischjà mentre cumpetinu, i prucessi di ricuperazione attivati ​​termicamente permettenu à l'alea di vultà à u so statu di equilibriu, chì in parechji casi hè a fasa separata. . "Allora ci hè sta cumpetizione trà sti dui prucessi", spiega Cordero. U so documentu prupostu un mudellu simplice per predice chimichi in una alea data chì formarà una suluzione solida è validata cù esperimenti. "I polveri as-milled sò alcuni di i metalli più duru chì a ghjente hà vistu", dice Cordero, nutendu chì e teste anu dimustratu chì l'alea di tungstenu-cromu hà una durezza di nanoindentazione di 21 GPa. Chì li face circa u doppiu di a durezza di nanoindentazione di leghe nanocristalline basate in ferru o di tungstenu à grana grossa.

A metallurgia richiede flessibilità

In i compatti di lega di tungstenu-cromu-ferru di granu ultrafinu chì hà studiatu, l'aliati piglianu u ferru da l'abrasione di i media di macinazione di l'azzaru è di u vial durante a fresatura di bola d'alta energia. "Ma risulta chì pò ancu esse una bona cosa, perchè pare chì accelerà a densificazione à basse temperature, chì riduce a quantità di tempu chì duvete passà à quelle alte temperature chì puderanu purtà à cattivi cambiamenti in a microstruttura". Cordero spiega. "U grande cosa hè esse flessibili è ricunnosce l'opportunità in a metallurgia".

Un pellet di lega metallica compactata si trova accantu à polveri metalliche di ferru di tungstenu-cromu macinati in una barca utilizata per pisà i metalli. I boli d'azzaru sò usati per deformà i metalli in un mulinu di bola d'alta energia. Creditu: Denis Paiste/Materials Processing Center
Cordero hà graduatu da MIT in 2010 cun un bachelor in fisica è hà travagliatu per un annu à Lawrence Berkeley National Lab. Quì, hè statu inspiratu da u staffu di l'ingenieria chì hà amparatu da una generazione precedente di metallurgisti chì facianu crucibles speciali per mantene u plutoniu per u Prughjettu Manhattan durante a Siconda Guerra Munniali. "A sente u tipu di cose chì stavanu travagliendu m'hà fattu assai entusiasmatu è appassiunatu di trasfurmazioni di metalli. Hè ancu assai divertente ", dice Cordero. In altre subdiscipline di scienza di i materiali, dice: "Ùn avete micca apre un fornu à 1000 C, è vede qualcosa chì brilla in rosso. Ùn avete micca ghjuntu à trattà cù u calore ". Si aspetta di finisce u so PhD in 2015.

Ancu s'è u so travagliu attuale hè focu annantu à l'applicazioni strutturali, u tipu di trasfurmazioni in polvere chì faci hè ancu usatu per fà materiali magnetichi. "A maiò parte di l'infurmazioni è a cunniscenza pò esse appiicata à altre cose", dice. "Ancu s'ellu hè una metallurgia strutturale tradiziunale, pudete applicà sta metallurgia di a scola antica à i materiali di a nova scola".