Вчені виявили дивовижну поведінку металу в екстремальних умовах

Вчені Массачусетського технологічного інституту виявили, що такі метали, як мідь, можуть ставати міцнішими при нагріванні та ударі з високою швидкістю, кидаючи виклик традиційним поглядам і потенційно покращуючи матеріали для екстремальних умов, таких як космос і високошвидкісне виробництво.

Під час нагрівання метали стають м’якшими, тому ковалі можуть формувати залізо в складні форми, нагріваючи його до червоного. І кожен, хто порівнює мідний дріт зі сталевими плічками, швидко зрозуміє, що мідь набагато гнучкіша за сталь.

Але вчені з Массачусетського технологічного інституту виявили, що коли об’єкт, що рухається з надвисокою швидкістю, стикається з металом, відбувається навпаки: чим гарячіший метал, тим він міцніший. За таких умов, які створюють надзвичайне навантаження на метал, мідь насправді може бути такою ж міцною, як і сталь. Нове відкриття може призвести до нових підходів до розробки матеріалів для екстремальних середовищ, таких як щити, які захищають космічні або гіперзвукові літальні апарати, або обладнання для високошвидкісних виробничих процесів.

Висновки описані в статті, нещодавно опублікованій в Nature , Ієном Даудінгом, аспірантом Массачусетського технологічного інституту, і Крістофером Шухом, колишнім керівником кафедри матеріалознавства та інженерії Массачусетського технологічного інституту, нині деканом інженерного факультету Північно-Західного університету та запрошеним професором Массачусетського технологічного інституту.

Контраінтуїтивні результати та потенційні застосування

Нове відкриття, як пишуть автори, «є суперечливим і суперечить десятиліттям досліджень у менш екстремальних умовах». Несподівані результати можуть вплинути на різноманітні застосування, оскільки надзвичайні швидкості, пов’язані з цими ударами, зазвичай виникають під час зіткнень метеоритів з космічним кораблем на орбіті та під час високошвидкісних операцій обробки, які використовуються у виробництві, піскоструминній обробці та деяких процесах адитивного виробництва (3D-друк).

Експерименти, в яких дослідники виявили цей ефект, включали в себе стрілянину крихітними частинками сапфіра, розміром в мільйонні частки метра, по плоских металевих листах. Частинки, що приводилися в рух лазерними променями, досягали високих швидкостей, близько декількох сотень метрів на секунду. Хоча інші дослідники іноді проводили експерименти з такими ж високими швидкостями, вони, як правило, використовували більші ударні елементи, розміром у сантиметр або більше. Оскільки в цих більших ударних елементах переважав вплив ударної хвилі, не було можливості розділити механічні та теплові ефекти.

Крихітні частинки в новому дослідженні не створюють значної хвилі тиску, коли вони потрапляють у ціль. Але в Массачусетському технологічному інституті знадобилося десятиліття досліджень, щоб розробити методи руху таких мікроскопічних частинок на таких високих швидкостях. «Ми скористалися цим», — каже Шух, а також іншими новими методами спостереження за самим ударом на високій швидкості.

Спостереження та висновки

Команда використовувала надзвичайно високошвидкісні камери, щоб «спостерігати за частинками, коли вони входять і відлітають», — каже він. Коли частинки відскакують від поверхні, різниця між вхідною та вихідною швидкостями «скаже вам, скільки енергії було вкладено» в ціль, що є індикатором міцності поверхні.

Крихітні частинки, які вони використовували, були зроблені з оксиду алюмінію або сапфіру, і вони «дуже тверді», каже Даудінг. При розмірі від 10 до 20 мікрон (мільйонних часток метра) вони становлять від однієї десятої до однієї п’ятої товщини людської волосини. Коли на стартову площадку за цими частинками потрапляє лазерний промінь, частина матеріалу випаровується, утворюючи струмінь пари, який рухає частинку в протилежному напрямку.

Дослідники вистрілили частинками в зразки міді, титану та золота, і вони очікують, що їхні результати також стосуватимуться інших металів. Вони кажуть, що їхні дані є першими прямими експериментальними доказами цього аномального теплового ефекту підвищеної сили з більшим нагріванням, хоча про натяки на такий ефект повідомлялося раніше.

Згідно з аналізом дослідників, дивовижний ефект, здається, є результатом того, як упорядковані масиви атомів, які утворюють кристалічну структуру металів, рухаються за різних умов. Вони показують, що існують три окремі ефекти, які визначають, як метал деформується під напругою, і хоча два з них слідують за передбаченою траєкторією збільшення деформації при вищих температурах, третій ефект, який називається зміцненням опору, змінює свій ефект, коли швидкість деформації перетинає швидкість деформації. певний поріг.

Ефект посилення перетягування

За межами цієї точки перетину вища температура збільшує активність фононів — хвиль звуку або тепла — всередині матеріалу, і ці фонони взаємодіють з дислокаціями в кристалічній решітці таким чином, що обмежує їхню здатність ковзати та деформуватися. Ефект посилюється зі збільшенням швидкості удару та температури, каже Доудінг, тому «чим швидше ви рухаєтеся, тим менше вивихи здатні реагувати».

Звичайно, в якийсь момент підвищена температура почне плавити метал, і в цей момент ефект знову зміниться і призведе до розм’якшення. «Буде межа» цьому посилюючому ефекту, каже Даудінг, «але ми не знаємо, що це таке».

Отримані дані можуть призвести до вибору різних матеріалів при проектуванні пристроїв, які можуть зазнавати таких екстремальних навантажень, каже Шух. Наприклад, метали, які зазвичай можуть бути набагато слабкішими, але менш дорогими або легшими для обробки, можуть бути корисними в ситуаціях, коли ніхто раніше не міг би їх використовувати.

Екстремальні умови, які вивчали дослідники, не обмежуються космічними апаратами чи екстремальними методами виробництва. «Якщо ви керуєте гелікоптером під час піщаної бурі, багато частинок піску досягнуть високих швидкостей, коли вони вдаряться об лопаті», — каже Даудінг, і в умовах пустелі вони можуть досягати високих температур, коли спрацьовують ці ефекти зміцнення.

Методи, використані дослідниками для виявлення цього явища, можуть бути застосовані до багатьох інших матеріалів і ситуацій, включаючи інші метали та сплави. Вони кажуть, що розробка матеріалів для використання в екстремальних умовах шляхом простої екстраполяції відомих властивостей у менш екстремальних умовах може призвести до серйозно помилкових очікувань щодо того, як матеріали поводитимуться під екстремальними навантаженнями.