Beh, se le superleghe sono cosi' importanti per la tecnologia, devono avere delle proprieta' uniche! Che cos'e'?
Purtroppo, la definizione di superleghe è un po' fallita. Per semplicità, ogni volta che dico "superleghe" in questo articolo, puoi presumere che mi riferisca a "superleghe a base di nichel".
Le superleghe a base di nichel hanno una microstruttura sorprendente che conferisce al materiale eccellenti proprietà ad alta temperatura, ma ci sono altri sistemi di lega chiamati "superleghe" semplicemente perché hanno buone proprietà ad alta temperatura (nessuna microstruttura speciale).
Prima di spiegare questa microstruttura, voglio mostrarvi un diagramma della resistenza allo snervamento rispetto alla temperatura.
La resistenza allo snervamento è la misura di resistenza più elementare utilizzata dagli ingegneri (se si desidera una spiegazione più approfondita, consultare questo articolo).
Come puoi immaginare, l'intensità dovrebbe diminuire all'aumentare della temperatura. Calore significa che gli atomi vibrano più velocemente, quindi hanno maggiori probabilità di scivolare l'uno accanto all'altro. In quasi tutti i materiali, l'aumento della temperatura riduce la resistenza.
Le superleghe a base di nichel sono un'eccezione, come potete vedere nel grafico. All'aumentare della temperatura, c'è una "gobba" che aumenta di intensità. Questo è chiamato limite di snervamento anomalo perché la forza non è normale.
Una resistenza anomala allo snervamento significa-con una frazione elevata al punto di fusione-che le superleghe a base di nichel hanno una resistenza molto maggiore rispetto alla maggior parte dei materiali. Ecco perché sono così eccellenti alle alte temperature.
Le superleghe a base di nichel hanno una resistenza allo snervamento anomala a causa della loro struttura γ/γ 'unica (ovvi numeri primi γ, γ).
Le ragioni di questo fenomeno nella microstruttura sono molto complesse e difficili da capire senza il background della scienza dei materiali. Ti presenterò la spiegazione completa in un altro articolo. Sono frustrato, non l'ho mai imparato al college, quindi se vuoi che usi parole che non conosci ora, il limite di snervamento anormale è dovuto alla dislocazione parziale del blocco a scorrimento incrociato.
Ma basta-cosa sono i Gamma e i Gamma Son?
Gamma è la terza lettera dell'alfabeto greco, γ. Per qualsiasi motivo, questo è stato storicamente un riferimento alle lettere dello stadio FCC. γ è anche usato per riferirsi all'austenite nell'acciaio (perché l'austenite è FCC).
FCC significa "cubo centrato sulla faccia", ed è una delle strutture cristalline più comuni e stabili. Per capire che aspetto ha un cristallo FCC, immagina un cubo con un atomo ad ogni angolo e ad ogni faccia del cubo. E' cosi' che funziona la FCC!
γ' è un composto intermetallico avente una struttura L12. Questa è una disposizione ordinata della FCC.
Ci sono atomi di Ni sulla superficie di γ 'e un altro atomo sull'angolo. Di solito, l'altro atomo è Al.
Diamo un'occhiata a una miscela di 75% Ni, 25% Al per illustrare la differenza tra γ e γ′.
γ è una soluzione alternativa di cracking catalitico. Come hai visto prima, il Ni puro sarà un normale FCC. Al può essere sciolto in Ni. Supponendo che l'alluminio 25% possa dissolversi nel nichel, otterrai qualcosa come l'immagine a sinistra. Un quarto degli atomi di Ni sarà sostituito casualmente da Al (se non sei sicuro di come ho calcolato gli atomi per determinare che un quarto di essi è Al, ti consiglio di leggere questo articolo).
In γ ', la struttura è ordinata. Gli atomi di Al si siedono sempre in un angolo, mentre Ni si siederà in faccia. γ' può anche avere una sostituzione: non esiste alcuna regola che impedisca a Ni di andare all'angolo, ma l'immagine a destra mostra lo stato preferito. Se gli atomi tendono ad allinearsi in questo modo, la fase è L12. Se non ci sono preferenze, la fase è solo FCC.
Se non spieghi la dislocazione, è difficile spiegare troppo su γ ', ma farò del mio meglio. La combinazione di γ e γ' è grande perché γ è duro e combina il duro γ'. La lega beneficia di resistenza e tenacità a causa della relazione fase/matrice precipitata.
Questo rinforzo è chiamato rinforzo delle precipitazioni ed è comune nella maggior parte delle leghe avanzate.
Inoltre, γ 'è speciale perché è coerente.
I risultati mostrano che la distanza tra gli atomi in Ni e Ni3Al non è molto grande. Ni3Al può essere 1% più piccolo del resto del reticolo gamma. Di conseguenza, l'interfaccia tra γ 'e γ è collegata. Questo non è il caso (più comune) nei precipitati non coerenti.
Se immagini che una fila di atomi debba scivolare su un'altra fila, l'interfaccia di connessione tra γ e γ 'lo consente. Questo è il motivo per cui la precipitazione γ è più resistente della maggior parte degli altri tipi di precipitazione. A causa della tensione reticolare, non è facile scivolare tra gli atomi, ma è possibile.
Per i precipitati non coerenti, la differenza tra la matrice e il precipitato è brusca. Non c'è modo di spingere una fila di atomi nella matrice perché non sono collegati al precipitato. Se c'è abbastanza forza per spingere una fila di atomi, il materiale può rompersi.
Oltre al rafforzamento delle precipitazioni, le superleghe beneficiano anche del rafforzamento della soluzione solida. Questo rinforzo è presente in tutte le leghe, ma è particolarmente degno di nota nelle superleghe, che sono così sviluppate che una superlega commerciale può contenere più di una dozzina di elementi.
