Inventare nuove leghe metalliche? Adesso è molto più semplice

Il numero di leghe metalliche possibili è astronomico, ma gli scienziati hanno sviluppato un modello teorico per determinare la resistenza di milioni di leghe diverse alle alte temperature.

Inventare nuove leghe metalliche? Adesso è molto più semplice

Il sogno inconfessato di ogni esperto di metallurgia è quello di riuscire a trovare una nuova lega metallica con proprietà fino ad oggi sconosciute. Magari come successe per il ferro che, con l’aggiunta di un po’ di carbonio, cambiò per sempre la storia della nostra società.

Tuttavia, trovare nuove leghe metalliche utilizzabili non è per nulla semplice visto che il numero di leghe possibili è astronomico poiché il comportamento su scala atomica influisce sulle proprietà del materiale.

Un numero spropositato di leghe teoricamente possibili

Perciò, all’Università di Groningen (Paesi Bassi) hanno sviluppato un modello teorico per determinare rapidamente la resistenza di milioni di leghe diverse alle alte temperature. Gli esperimenti hanno confermato le previsioni del modello.

In questo caso si tratta di leghe ad alta entropia (HEA), composte da cinque o più elementi che possono avere tutti i tipi di proprietà utili. Ma il problema e come trovare la migliore?

Ci sono una quarantina di elementi metallici che non sono radioattivi o tossici e sono quindi adatti all’uso nelle leghe. Questo ci dà circa 10^78 (10 elevato 78) composizioni diverse, cosa che rende di fatto impossibile testare un numero significativo di queste semplicemente realizzandole.

Perciò, i ricercatori volevano una buona teoria per descrivere le proprietà degli HEA. Una di queste proprietà è la resistenza alle alte temperature, essenziale in varie applicazioni, dai motori a turbina alle centrali nucleari. La resistenza di una lega dipende in gran parte da difetti nella struttura cristallina e i cristalli perfetti sono i più resistenti. Purtroppo, cristalli perfetti non esistono nei materiali della vita reale.

Si pensa che un importante fattore determinante della resistenza alle alte temperature nelle leghe cubiche a corpo centrato sia una dislocazione a vite, una dislocazione nella struttura reticolare di un cristallo in cui gli atomi sono riorganizzati in uno schema elicoidale.

Un difetto nella struttura cristallina facile da modellare

Un altro tipo di difetto è la dislocazione del bordo, in cui un piano atomico extra viene inserito in una parte della struttura cristallina. Fino ad oggi si credeva che queste dislocazioni non avessero alcun effetto sulla resistenza alle alte temperature, ma gli scienziati dell’Università di Groningen hanno scoperto che possono determinare la resistenza in leghe complesse, con il vantaggio che le dislocazioni dei bordi sono molto più facili da modellare rispetto alle dislocazione a vite.

Perciò, i ricercatori hanno creato un modello su scala atomica per questa dislocazione negli HEA, tradotto poi in uno script MATLAB in grado di prevedere la resistenza su scala ingegneristica di milioni di leghe diverse ad alte temperature in pochi minuti.

I risultati possono essere utilizzati per creare leghe metalliche con nuove proprietà o per trovare composizioni alternative quando un elemento in una lega diventa scarso. Il modello sembra funzionare molto bene visto che sono state create 2 leghe diverse progettate con una resistenza allo snervamento specifica.

I risultati dello studio sono stati pubblicati questo mese su Nature Communications.

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