Ligi tat-tungstenu ġodda li qed jiġu żviluppati fil-Grupp Schuh fil-MIT jistgħu potenzjalment jissostitwixxu l-uranju mdgħajjef fi projettili li jtaqqbu l-armatura. L-istudent gradwat tax-xjenza u l-inġinerija tal-materjali tar-raba 'sena Zachary C. Cordero qed jaħdem fuq materjal ta' tossiċità baxxa, qawwa għolja u densità għolja biex jissostitwixxi l-uranju mdgħajjef f'applikazzjonijiet militari strutturali. L-uranju mdgħajjef joħloq periklu potenzjali għas-saħħa għas-suldati u ċ-ċivili. "Dak hija l-motivazzjoni biex tipprova tissostitwiha," jgħid Cordero.

Tungstenu normali jkun faqqiegħ jew ċatt fuq l-impatt, l-agħar prestazzjoni possibbli. Allura l-isfida hija li tiżviluppa liga li tista 'tqabbel il-prestazzjoni tal-uranju mdgħajjef, li ssir awto-sann hekk kif jaqtgħu l-materjal u żżomm imnieħer li jaqta' fl-interface penetratur-mira. “Tungstenu waħdu huwa eċċezzjonalment qawwi u iebes. Daħħalna elementi oħra ta’ liga biex nagħmluha sabiex inkunu nistgħu nikkonsolidawha f’dan l-oġġett bl-ingrossa,” jgħid Cordero.

Liga tat-tungstenu bil-kromju u l-ħadid (W-7Cr-9Fe) kienet aktar b'saħħitha b'mod sinifikanti minn ligi tat-tungstenu kummerċjali, Cordero irrapporta f'dokument mal-awtur anzjan u l-kap tad-Dipartiment tax-Xjenza u l-Inġinerija tal-Materjali Christopher A. Schuh u kollegi fil-ġurnal Metallurgical and Materials Tranżazzjonijiet A. It-titjib inkiseb billi tikkumpatta trabijiet tal-metall fi pressa sħuna tas-sinterizzazzjoni assistita mill-post, bl-aħjar riżultat, imkejjel mill-istruttura tal-qamħ fin u l-ogħla ebusija, miksub f'ħin ta 'proċessar ta' minuta f'1,200 grad Celsius. Ħinijiet ta 'proċessar itwal u temperaturi ogħla wasslu għal ħbub oħxon u prestazzjoni mekkanika aktar dgħajfa. Il-ko-awturi kienu jinkludu l-istudent gradwat tal-inġinerija u x-xjenza tal-materjali tal-MIT Mansoo Park, il-sħabi postdottorat ta 'Oak Ridge Emily L. Huskins, il-Professur Assoċjat tal-Istat ta' Boise Megan Frary u l-istudent gradwat Steven Livers, u l-inġinier mekkaniku tal-Laboratorju ta 'Riċerka tal-Armata u l-mexxej tat-tim Brian E. Schuster. Twettqu wkoll testijiet ballistiċi sub-skala tal-liga tat-tungstenu-kromju-ħadid.

"Jekk tista 'tagħmel tungstenu bl-ingrossa nanostrutturat jew amorfu (liga), għandu verament ikun materjal ballistiku ideali," jgħid Cordero. Cordero, nattiv ta 'Bridgewater, NJ, irċieva Fellowship Xjenza u Inġinerija tad-Difiża Nazzjonali (NDSEG) fl-2012 permezz tal-Uffiċċju tar-Riċerka Xjentifika tal-Forza tal-Ajru. Ir-riċerka tiegħu hija ffinanzjata mill-Aġenzija tat-Tnaqqis tat-Theddida tad-Difiża tal-Istati Uniti.

Struttura tal-qamħ ultrafin

“Il-mod kif nagħmel il-materjali tiegħi huwa bl-ipproċessar tat-trab fejn l-ewwel nagħmlu trab nanokristallin u mbagħad nikkonsolidawh f’oġġett bl-ingrossa. Iżda l-isfida hija li l-konsolidazzjoni teħtieġ li l-materjal jiġi espost għal temperaturi ogħla,” jgħid Cordero. It-tisħin tal-ligi għal temperaturi għoljin jista 'jikkawża l-ħbub, jew dominji kristallini individwali, fi ħdan il-metall biex jikbru, li jdgħajjefhom. Cordero kien kapaċi jikseb struttura tal-qamħ ultrafina ta 'madwar 130 nanometru fil-kompatt W-7Cr-9Fe, ikkonfermat minn mikrografi elettroniċi. "B'din ir-rotta tal-ipproċessar tat-trab, nistgħu nagħmlu kampjuni kbar sa 2 ċentimetri fid-dijametru, jew nistgħu mmorru akbar, b'qawwiet kompressivi dinamiċi ta '4 GPa (gigapascals). Il-fatt li nistgħu nagħmlu dawn il-materjali permezz ta 'proċess li jista' jegħleb huwa forsi saħansitra aktar impressjonanti,” jgħid Cordero.

“Dak li qed nippruvaw nagħmlu bħala grupp huwa li nagħmlu affarijiet kbar b'nanostrutturi fini. Ir-raġuni li rridu dan hija għaliex dawn il-materjali għandhom proprjetajiet interessanti ħafna li huma ta 'użu potenzjali f'ħafna applikazzjonijiet,” iżid Cordero.

Mhux misjuba fin-natura

Cordero eżamina wkoll is-saħħa tat-trab tal-liga tal-metall b'mikrostrutturi nanoskala f'karta tal-ġurnal Acta Materialia. Cordero, mal-awtur anzjan Schuh, uża kemm simulazzjonijiet komputazzjonali kif ukoll esperimenti fil-laboratorju biex juri li ligi ta’ metalli bħat-tungstenu u l-kromju b’qawwiet inizjali simili kellhom it-tendenza li jomoġenizzaw u jipproduċu prodott finali aktar b’saħħtu, filwaqt li kombinazzjonijiet ta’ metalli b’nuqqas ta’ qbil kbir ta’ saħħa inizjali bħal dawn peress li t-tungstenu u ż-żirkonju kellhom it-tendenza li jipproduċu liga aktar dgħajfa b'aktar minn fażi waħda preżenti.

“Il-proċess tat-tħin tal-ballun ta 'enerġija għolja huwa eżempju wieħed ta' familja akbar ta 'proċessi li fihom tiddeforma l-heck out tal-materjal biex issuq il-mikrostruttura tiegħu fi stat stramb ta' mhux ekwilibriju. M'hemmx qafas tajjeb verament biex tbassar il-mikrostruttura li toħroġ, għalhekk ħafna drabi dan huwa prova u żball. Konna qed nippruvaw ineħħu l-empiriżmu mit-tfassil ta 'ligi li se jiffurmaw soluzzjoni solida metastabbli, li hija eżempju wieħed ta' fażi mhux ta 'ekwilibriju," jispjega Cordero.

"Int tipproduċi dawn il-fażijiet mhux ta 'ekwilibriju, affarijiet li normalment ma tarax fid-dinja ta' madwarek, fin-natura, billi tuża dawn il-proċessi ta 'deformazzjoni verament estremi," jgħid. Il-proċess tat-tħin tal-ballun ta 'enerġija għolja jinvolvi shearing ripetut tat-trabijiet tal-metall bit-shearing li jmexxi l-elementi tal-liga biex jitħalltu flimkien waqt li jikkompetu, proċessi ta' rkupru attivati ​​termalment jippermettu li l-liga terġa 'lura għall-istat ta' ekwilibriju tagħha, li f'ħafna każijiet huwa fażi separata . "Mela hemm din il-kompetizzjoni bejn dawn iż-żewġ proċessi," jispjega Cordero. Id-dokument tiegħu ppropona mudell sempliċi biex ibassar kimiċi f'liga partikolari li se tifforma soluzzjoni solida u vvalidaha b'esperimenti. "It-trabijiet mitħun huma wħud mill-aktar metalli iebsa li raw in-nies," jgħid Cordero, filwaqt li jinnota testijiet urew li l-liga tat-tungstenu-kromju għandha ebusija nanoindentazzjoni ta '21 GPa. Li jagħmilhom madwar id-doppju tal-ebusija tan-nanoindentazzjoni ta 'ligi bbażati fuq ħadid nanokristallin jew tungstenu ta' qamħ oħxon.

Il-metallurġija teħtieġ flessibilità

Fil-kompatti tal-liga tat-tungstenu-kromju-ħadid tal-qamħ ultrafin li studja, il-ligi qabdu l-ħadid mill-brix tal-midja tat-tħin tal-azzar u l-kunjett waqt it-tħin tal-ballun b'enerġija għolja. "Iżda jirriżulta li tista' wkoll tkun xi ħaġa tajba, għax qisu taċċellera d-densifikazzjoni f'temperaturi baxxi, li jnaqqas l-ammont ta' ħin li trid tqatta' f'dawk it-temperaturi għoljin li jistgħu jwasslu għal bidliet ħżiena fil-mikrostruttura," Cordero jispjega. "Il-ħaġa kbira hija li tkun flessibbli u li tagħraf l-opportunitajiet fil-metallurġija."

Pellet ta 'liga tal-metall ikkumpattat joqgħod ħdejn trabijiet tal-metall tal-ħadid tat-tungstenu-kromju kif mitħun f'dgħajsa użata għall-użin tal-metalli. Il-blalen tal-azzar jintużaw biex jiddeformaw il-metalli f'mitħna tal-ballun b'enerġija għolja. Kreditu: Denis Paiste/Ċentru għall-Ipproċessar tal-Materjali
Cordero ggradwa mill-MIT fl-2010 b'baċellerat fil-fiżika u ħadem għal sena f'Lawrence Berkeley National Lab. Hemmhekk, kien ispirat mill-istaff tal-inġinerija li tgħallem minn ġenerazzjoni preċedenti ta 'metallurġisti li għamlu griġjoli speċjali biex iżommu l-plutonju għall-Proġett Manhattan matul it-Tieni Gwerra Dinjija. “Is-smigħ tat-tip ta’ affarijiet li kienu qed jaħdmu fuqu ġabni eċċitati ħafna u ħerqan dwar l-ipproċessar tal-metalli. Huwa wkoll pjaċevoli ħafna,” jgħid Cordero. F’subdixxiplini oħra tax-xjenza tal-materjali, hu jgħid, “Ma tasalx tiftaħ forn f’temperatura taʼ 1,000 C, u tara xi ħaġa tiddi jaħraq aħmar. Inti ma tasalx biex tittratta l-affarijiet bis-sħana.” Huwa jistenna li jispiċċa l-PhD tiegħu fl-2015.

Għalkemm ix-xogħol attwali tiegħu huwa ffukat fuq applikazzjonijiet strutturali, it-tip ta 'proċessar ta' trab li qed jagħmel jintuża wkoll biex jagħmel materjali manjetiċi. "Ħafna mill-informazzjoni u l-għarfien jistgħu jiġu applikati għal affarijiet oħra," jgħid. "Anke jekk din hija metallurġija strutturali tradizzjonali, tista 'tapplika din il-metallurġija ta' skola l-qadima għal materjali ta 'skola ġdida."