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Il meraviglioso mondo dei metalli misti: perché le leghe ad alta entropia mostrano proprietà senza precedenti?
Le leghe ad alta entropia (HEA) rappresentano una rivoluzione nella scienza dei materiali negli ultimi anni. A differenza delle leghe metalliche tradizionali, queste leghe sono formate mescolando cinque o più elementi insieme in proporzioni relativamente uguali. Le leghe metalliche tradizionali solitamente contengono solo uno o due componenti principali e piccole quantità di altri elementi. Ad esempio, alle leghe di ferro vengono aggiunti carbonio o manganese per migliorarne le proprietà, ma le proporzioni di questi elementi sono spesso relativamente basse. Pertanto, l’emergere di leghe ad alta entropia può essere descritto come una nuova esplorazione dei materiali.
"La definizione di leghe ad alta entropia deriva dall'aumento di entropia dovuto all'aumento del numero di elementi durante il processo di miscelazione. Questo aumento di entropia è più evidente quando il rapporto di composizione è simile."
Questo termine è stato proposto per la prima volta dallo scienziato taiwanese Ye Jianwei. Ha proposto un metodo per sintetizzare effettivamente leghe ad alta entropia nel 1995 e ha condotto ricerche per molti anni da allora in poi. A quel tempo, la sua ricerca era quasi un’esplorazione indipendente su scala globale, mentre altri paesi erano relativamente indietro nella ricerca sulle leghe ad alta entropia. Negli anni 2010, con il progresso della tecnologia e l’emergere del potenziale applicativo, i paesi hanno iniziato ad aumentare la ricerca sulle leghe ad alta entropia.
Caratteristiche e applicazioni delle leghe ad alta entropia
La ricerca mostra che alcune leghe ad elevata entropia superano le leghe tradizionali in termini di rapporto resistenza/peso, resistenza alla frattura, resistenza alla trazione e resistenza alla corrosione e all'ossidazione. Dal punto di vista applicativo, il potenziale di applicazione pratica delle leghe ad alta entropia nelle corse, nell’aerospaziale, nei sottomarini e nei reattori nucleari è accattivante. Le possibili applicazioni delle leghe ad alta entropia sono quasi onnicomprensive e in futuro potrebbero diventare materiali chiave nei campi aerospaziale, militare, medico e altri.
"Che si tratti della stabilità degli elettrete solidi o della durabilità delle leghe ad alta resistenza, il potenziale delle leghe ad alta entropia è pieno di sfide e opportunità per il futuro."
Effetto nucleo di leghe ad alta entropia
I quattro effetti principali delle leghe ad alta entropia includono l'effetto di entropia elevata, l'effetto di grave distorsione del reticolo, l'effetto di diffusione lenta e l'effetto cocktail. Queste caratteristiche rendono le leghe ad elevata entropia molto diverse dalle leghe tradizionali in termini di microstruttura e proprietà meccaniche.
Elevato effetto entropico
L'effetto dell'elevata entropia è considerato una delle caratteristiche più importanti delle leghe ad alta entropia. Promuove la formazione di soluzione solida e semplifica la microstruttura della lega. Secondo la seconda legge della termodinamica, le soluzioni solide che solitamente contengono più elementi hanno maggiori probabilità di formare uno stato di equilibrio stabile a causa del loro elevato valore di entropia.
Grave effetto di distorsione del reticolo
I molteplici componenti principali nelle leghe ad alta entropia producono deformazioni reticolari e stress più forti nella struttura cristallina. Questa grave distorsione reticolare influisce sulle proprietà meccaniche, termiche, elettriche e chimiche del materiale, vantaggi che le leghe convenzionali non possono offrire.
Effetto di diffusione lenta
Poiché la struttura delle leghe ad alta entropia è macroscopicamente uniforme e i percorsi di diffusione richiesti dagli atomi sono più complessi, mostra velocità di diffusione inferiori, rendendola più resistente ai cambiamenti nella stabilità termica e funzionale.
Effetto cocktail
L'effetto cocktail significa che il miglioramento delle proprietà della lega deriva dall'interazione di almeno cinque elementi principali. Le caratteristiche degli HEA derivano non solo dalle proprietà fisiche dei singoli elementi, ma anche dalle interazioni e dagli effetti di combinazione tra le loro fasi composite.
Progettazione delle leghe e formazione delle fasi
Diversamente dai design delle leghe tradizionali, le leghe ad alta entropia si concentrano sull'applicazione di proporzioni uguali di più componenti. Tradizionalmente, la scelta di un elemento dominante può aver limitato le prestazioni della lega. Le leghe ad alta entropia sono estremamente flessibili e versatili a questo riguardo e nuovi tipi di leghe possono essere progettati in base alle esigenze.
Durante il processo di formazione della fase delle leghe, la legge di fase di Gibbs fornisce una base per determinare il limite del numero di fase. Tuttavia, in pratica, molte leghe ad alta entropia formano principalmente un’unica fase di soluzione solida, il che va oltre le comuni aspettative per i sistemi multicomponente. Questo fenomeno sfrutta l’enorme potenziale delle leghe ad alta entropia, che sono fondamentali per la loro capacità di ottenere proprietà superiori in una varietà di combinazioni di composizione.
La ricerca sulle leghe ad elevata entropia non solo amplia i confini della scienza dei materiali, ma stimola anche la domanda e l'applicazione di nuovi materiali in tutti gli ambiti della vita. Ciò significa che stiamo per entrare in una nuova era di rivoluzione dei materiali metallici?
