Экспериментальные сплавы на основе ниобия и титана сохранили стойкость к растрескиванию при температуре около минус 253 градусов Цельсия (минус 424 градуса по Фаренгейту), сообщает SciTechDaily. Вместо привычного разрушения материалы начинали образовывать новые дефекты кристаллической решетки. Это открывает путь к созданию более прочных металлов для работы в экстремальном холоде.
Большинство металлов при охлаждении становятся прочнее, однако некоторые одновременно теряют способность сопротивляться разрушению. К таким материалам относятся железо, вольфрам и хром — они принадлежат к классу металлов с объемно-центрированной кубической решеткой (ОЦК), чье атомное строение при снижении температуры делает их более хрупкими. Трещина, которую металл мог бы «погасить» за счет изгиба или растяжения, в итоге приводит к разлому.
Способность деформироваться во многом зависит от движения дислокаций — линейных дефектов кристаллической структуры. На холоде эти дефекты перемещаются хуже, и материал уже не может в достаточной мере снимать напряжения, скапливающиеся у вершины трещины. Международная команда под руководством Калифорнийского университета в Беркли, Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли и Оксфордского университета выяснила, что оба опытных сплава оставались устойчивыми к образованию трещин, а заметного перехода в хрупкое состояние при самой низкой из проверенных температур не произошло. Результаты работы опубликованы в журнале Nature.
Испытания проводили на установке Engin-X в источнике нейтронов и мюонов ISIS в Оксфордшире. Образцы охлаждали газообразным гелием примерно до минус 253 градусов Цельсия, после чего облучали нейтронным пучком, одновременно растягивая их с двух концов. Так специалисты точно измерили, какую нагрузку выдерживают образцы и насколько они удлиняются до разрыва. С помощью электронных микроскопов ученые изучили изменения структуры вокруг трещин и внутри металла.
Исследователи зафиксировали наноразмерное двойникование — процесс, при котором небольшие участки кристалла перестраиваются в зеркально отраженные ориентации, — в сочетании с локальным превращением кристаллической структуры. Распределение отдельных элементов картировали методом атомного зонда, а компьютерное моделирование помогло понять, как разные механизмы вместе препятствуют хрупкому разрушению. Когда новые структуры доходили до границ между соседними кристаллами, там возникали сосредоточенные точки напряжения, порождавшие свежие дислокации. Эти дефекты давали материалу возможность продолжать деформироваться и поглощать усилия вокруг трещины даже тогда, когда уже имеющиеся дислокации двигались с трудом.
«Наши результаты показывают, что стоит пересмотреть взгляды на то, что определяет переход этих металлов в хрупкое состояние. Традиционно внимание уделяли тому, насколько легко существующие дислокации перемещаются в металле, но теперь выясняется, что способность создавать новые дислокации на границах раздела тоже может быть критически важной. Опираясь на эти данные, мы, возможно, сможем подбирать условия микроструктуры, при которых материал сам находит пути сохранять пластичность при экстремальных температурах», — приводит SciTechDaily слова ведущего автора Дэвида Кука, работавшего над исследованием в Калифорнийском университете в Беркли и ныне представляющего Кембриджский университет. Потенциально новые сплавы пригодятся для деталей, которые подвергаются воздействию очень низких температур в энергетике, на транспорте и в аэрокосмической отрасли.