Nemrég olvashattak lapunkban Dr. Heczel Anita fizikusról. A viski születésű nő jelenleg egy amerikai egyetemen dolgozik, ahol acél-bevonatokat vizsgál mikroszkópos, röntgenes módszerekkel. A kutató most egyik munkájából ad ízelítőt a Kárpáti Igaz Szó tudománynépszerűsítő rovatában.
Dr. Heczel Anita
Manapság többnyire minden kutatás nemzetközi együttműködésen alapul, mert ezáltal lehetőség van egyedi kutatások elvégzésére, így eltérő előállítási és vizsgálati módszereket alkalmazhatunk. Jelenleg az Alabamai Egyetemen dolgozom posztdoktori kutatóként, hidegszórással és lézeres hőkezeléssel készült acél bevonatokat vizsgálok, ahol többnyire azokat a módszereket alkalmazom, amelyeket az ELTE Anyagfizikai Tanszékén sajátítottam el a doktori kutatásom során. Ebben a cikkben a doktori kutatásomhoz kapcsolódó eredményeket és vizsgálatokat szeretném bemutatni.
Az emberiség technológiafejlődésének az anyagtudományi kutatások a mozgató rugói. Nem véletlen, hogy teljes korszakokat neveztek el az adott korra jellemző használati anyagokról: kőkor, bronzkor, vaskor stb. A felhasznált anyagok minősége meghatározta az adott kor civilizációját és fejlettségét. Hogyan javítható tovább az anyagok minősége? Az anyagtudományban az ötvözés széles körben alkalmazott és hatékony eljárás a fémek tulajdonságainak megváltoztatására annak érdekében, hogy minél inkább megfeleljenek a felhasználási igényeknek. A nagy mechanikai szilárdság és a jó alakíthatóság elérése érdekében az utóbbi időben számos új ötvözetet fejlesztettek ki. Ilyenek például a doktori kutatásom során is vizsgált nagy-entrópiás ötvözetek (angolul: High-Entropy Alloys ‒ HEAs).
A hagyományos ötvözetek általában egy többségi kémiai elemből és egy vagy több, kisebb mennyiségben jelen lévő ötvözőből állnak. A HEA ötvözetek ezzel szemben olyan rendezetlen szilárd oldatok, amelyek négy vagy több kémiai elemet tartalmaznak egyenlő vagy közel azonos koncentrációban. A sok ötvöző megnöveli a konfigurációs entrópiát, ezáltal stabilizálja a rendszer szerkezetét. Bár az ötvözet atomi szinten rendezetlen a sok ötvöző és az eltérő atomátmérők miatt, mégis egy átlagos kristályszerkezettel jellemezhető (lásd 1. sz. ábra). Mit is jelent ez? Az átlagos kristályszerkezetnek köszönhetően az ötvözet rendelkezik a kristályos anyagokra jellemző alakíthatósággal, ugyanakkor az amorf szerkezetre jellemző szilárdsággal is. Ezáltal a HEA ötvözetekre egyre nagyobb figyelem irányul az anyagtudományi kutatásokban, mivel olyan kiváló tulajdonságokkal rendelkeznek, mint nagy szilárdság és szívósság, nagy hőstabilitás, valamint jó korrózió- és kopásállóság. Ezeknek a tulajdonságoknak köszönhetően potenciális szerkezeti anyagok lehetnek az energia- és a közlekedési iparban. Ahhoz, hogy alkalmazni tudjunk új anyagokat, fontos megérteni a mikroszerkezet és a mechanikai tulajdonságok kapcsolatát.
A mikroszerkezet vizsgálata alatt az anyag kristályszerkezetének a „tökéletestől” való eltéréseit, ún. kristályhibáit tanulmányozzuk. A leggyakrabban előforduló kristályhibák a rácslyukak (vakanciák), a külső és belső határfelületek (szemcse-, fázis-, doménhatárok), a képlékeny deformációval kapcsolatos vonalhibák, a diszlokációk stb. A képlékeny alakváltozás a diszlokációk mozgásával történik. Ahogy a képlékeny alakváltozás egyre nagyobb mértékű lesz, úgy egyre több és több diszlokáció keletkezik az anyagban. Azáltal, hogy a diszlokációsűrűség növekszik, a mozgásuk egyre inkább gátolt lesz a többi diszlokáció miatt. Ebből következik, hogy a képlékeny alakváltozás elindításához vagy annak fenntartásához egyre nagyobb feszültségre van szükség, ezért az anyag szilárdsága nő. Tovább erősíti ezt a gátló hatást a szemcseméret csökkenése, mert egyre több olyan határfelület lesz, ami gátolja a diszlokációk mozgását.
Ebből kifolyólag az új ötvözetek, így a HEA-ötvözetek gyakorlati alkalmazásának szempontjából a képlékeny tulajdonságok vizsgálata nagyon fontos. Az egyik leggyakrabban használt nagymértékű képlékeny deformációs eljárás a nagynyomású csavarás (angolul: high-pressure torsion, HPT). A HPT-eljárás során egy korong alakú mintát helyezünk két üllő közé. Közben nagy hidrosztatikai nyomás (~GPa) mellett az alsó üllőt elforgatjuk, míg a felső üllőt fixen tartjuk, ezzel nagy nyírási deformációt okozunk (lásd 2. sz. ábra). Az eljárás során mind a szemcseméret finomodása, mind a diszlokációsűrűség növekedése hozzájárulhat az anyagkeményedéshez. Ezért a doktori kutatásom fő célja az volt, hogy megvizsgáljam a képlékeny deformáció hatását a HEA-ötvözetek kristályhiba szerkezetére és mechanikai tulajdonságaira különböző kémiai összetételű és kristályszerkezetű ötvözetek esetén.
Felmerül a kérdés, hogy milyen vizsgálati módszerek alkalmasak az előbb említett tulajdonságok vizsgálatára? A röntgen vonalprofil-analízis (RVA) és az elektronmikroszkópia segítségével átfogó képet kaphatunk a mikroszerkezeti tulajdonságokról. A röntgen szó hallatán elsőre mindenkinek az orvosi képalkotási technika jut az eszébe, de nem egy anyagfizikusnak. A röntgensugárzás segítségével lehetőségünk nyílik az anyagok kristályszerkezetének a vizsgálatára, azáltal hogy röntgensugárzás elhajlását (diffrakcióját) tanulmányozzuk a kristályokon. Lényegében a kristályszerkezetnek a tökéletestől való bármilyen eltérését vizsgáljuk az RVA módszerével, hiszen a kristályhibák hatással vannak a diffrakciós csúcsok szélességére és alakjára. A 3a. ábrán látható a HPT hatása a diffrakciós csúcsok alakjára, a deformáció mértékének a növelésével (több és több csavarás) egyre szélesebb csúcsokat kapunk. Ennek oka pedig nem más, mint a diszlokáció- sűrűség növekedése és a szemcseméret csökkenése. Azáltal, hogy az RVA során a mért diffrakciós profilra illesztünk a mikroszerkezeti paraméterektől függő elméleti függvényeket, eredményként számokban kifejezve meghatározhatjuk a diszlokáció sűrűség értékét. Egy ilyen illesztés eredménye látható a 3b. ábrán, ahol a körök a mért röntgen diffrakciós adatokat, a folytonos piros vonal pedig az illesztést reprezentálja.
Ezzel a módszerrel direkt nem látjuk a mikroszerkezetet, ezért fontos olyan kiegészítő vizsgálatokat is alkalmazni, ahol lehetőség van a mikroszerkezet direkt vizsgálatára. Az egyik ilyen módszer az elektronmikroszkópia. A hagyományos mikroszkópok természetes fényt használnak a képalkotáshoz, az elektronmikroszkópok esetén, mint ahogy a nevében is benne van, elektronokat használunk. Ennek köszönhetően sokkal nagyobb felbontással tudunk képeket készíteni a vizsgált tárgyról. A hagyományos mikroszkópok felbontóképessége ~ 0.2 mikrométer, ami növelhető speciális technikákkal, de természetesen van egy korlát, amit nem tud meghaladni. Egy modern elektronmikroszkóp felbontóképessége akár 0.1 nanométer is lehet, tehát nagyságrendekkel nagyobb felbontásra tehetünk szert. Az elektronmikroszkópok között is többfélét különböztetünk meg. A kutatásom során ún. pásztázó elektronmikroszkópos vizsgálatokat alkalmaztunk. A besugárzott területről lehetőségünk van szemcseorientációs képet készíteni azáltal, hogy visszaszórt elektronok egy olyan mintázatot hoznak létre, ami a kristályra jellemző. A mintázat beazonosítása segítségével meghatározható, hogy a vizsgált test makroszkopikus kiterjedéséhez képest a kristályrács hogyan helyezkedik el.
A 4 sz. ábra azt mutatja meg, hogy a minta felületének normálisa milyen kristálytani iránynak felel meg. A kristálytani irányt egy háromszöggel szokták ábrázolni, ami a 4a. ábra jobb alsó sarkában látható. Így az ábrán minden egyes szín egy adott kristálytani irányt jelöl. Továbbá, látható a szemcseméret alakulása a deformált korongon belül. A korong peremén már néhány száz nanoméretű szemcséket láthatunk, míg a nem deformált minta esetében több száz mikrométeres volt a szemcseméret.
Viszonyításképp egy átlagos hajszál vastagsága 50 mikrométer. Érdemes még megfigyelni a 4b. ábrán, hogy egy szemcsén belül is tapasztalhatunk színárnyalatbeli eltérést, vagyis változik a lokális orientáció. Ennek az az oka, hogy az adott szemcse deformált, vagyis egyre több kristályhiba alakul ki benne.
Mégis mi köze mindennek a mindennapokhoz? Azáltal, hogy lehetőségünk van ilyen kutatásokat elvégezni, az alkalmazás céljának megfelelően kedvező tulajdonságú profilokat rakhatunk össze egy-egy anyag esetén, ezáltal lehetőség nyílik arra, hogy jobban kiszolgáljuk a felhasználási igényeket. Az 5 sz. ábrán látható, hogy a HPT eljárásnak köszönhetően a HEA-ötvözet keménysége ~1000 MPa-ról több mint 5000 MPa-ra növekedett, ami már az acélok világában is kiemelkedőnek számít. Mindehhez arra volt szükség, hogy növeljük a diszlokáció-sűrűséget és csökkentsük a szemcseméretet. Remélem, hogy ezek a kutatási eredmények hozzájárulnak ahhoz, hogy jobban megértsük a mikroszerkezet és a mechanikai tulajdonságok kapcsolatát a jövőben.
Kárpátaljai fiatal magyar kutatók a nagyvilágban ● Kárpáti Igaz Szó
Kárpátaljai kutatók – Gömbök és pálcikák – Molekulák a monitoron keresztül
