Met gelijke hoeveelheden chroom, kobalt en nikkel kun je een legering maken die zelfs bij extreem lage temperaturen heel moeilijk breekt. Dat zou het materiaal geschikt kunnen maken voor vliegtuigen en ruimtevaart.
Een legering van chroom, kobalt en nikkel (CrCoNi) is het sterkste materiaal ooit getest. Door de karakteristieke eigenschappen is het mogelijk bruikbaar voor lucht- en ruimtevaartuigen.
Bij de sterkte van een materiaal draait het om hoe snel het breekt, ook wel de taaiheid genoemd. Dat is iets anders dan de hardheid, die bepaalt hoe snel een materiaal vervormt. Je kunt bijvoorbeeld geen deuk in diamant slaan, vroeger bekend als het hardste materiaal ter wereld, maar het kan wel breken.
‘Einstein liep als theoreticus vast op de nieuwe bevindingen’
Toen de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes iets geks ontdekte over supergeleiding, was dit onder veel fysici het gesprek van de dag. Maa ...
‘Onlangs googelde ik nog wat is het taaiste materiaal ter wereld? Diamant, was het antwoord. Dat is dus 100 procent fout’, zegt Robert Ritchie, materiaalwetenschapper aan het Lawrence Berkeley National Laboratory die met collega’s over het materiaal publiceerde in Science. ‘Diamant is erg bros, en dus helemaal niet sterk.’
Vaak zijn hardere metalen juist minder taai, maar voor CrCoNi gaat die vuistregel niet op, zegt Ritchie. Zijn onderzoeksteam zag dat het materiaal sterker werd naarmate het harder werd.
Van kubus naar zeshoek
Materialen worden meestal brosser en minder sterk bij lage temperaturen. Maar bij proeven bij temperaturen van slechts 20 graden boven het absolute nulpunt (-253 graden Celsius) had CrCoNi een taaiheid van 500 MPa*m1/2 – een maat voor de energie die nodig is om het te breken. Dit is vele malen hoger dan de taaiheid van aluminium, dat in vliegtuigen gebruikt wordt, of de taaiheid van het beste staal dat er is.
Nadat het CrCoNi uiteindelijk brak, analyseerden de onderzoekers de structuur, die bijzonder bleek te zijn. Het materiaal creëert een reeks obstakels die het breken tegenhouden. Eerst beginnen delen van metaalkristallen langs elkaar te glijden, waardoor de kristalpatronen niet langer netjes op één lijn liggen. Dat zorgt voor meer weerstand.
Vervolgens vertoont de legering een fenomeen dat nanotwinning heet: als kristallen binnen in het materiaal in kleinere stukjes breken, veranderen sommige daarvan van oriëntatie. Dat versterkt de algehele structuur. Ook kan de kristalstructuur overgaan van een kubusvormige naar een zeshoekige rangschikking.
Deze trucjes komen vaak los voor, maar de CrCoNi-legering kent ze allemaal, en kan ze ook blijven herhalen. Dat maakt het metaal buitengewoon bestand tegen breken, zegt Ritchie.
Biljoenen nieuwe mogelijkheden
Hij vult aan dat onderzoek naar zulke legeringen nog sterkere materialen zou kunnen opleveren. ‘Er zijn miljoenen, waarschijnlijk miljarden nieuwe samenstellingen met interessante eigenschappen die we nog moeten ontdekken’, zegt hij.
