Міжнародна команда науковців виявила, як деякі метали можуть зберігати стійкість до пошкоджень навіть за температури −253 °C. Дослідники встановили, що два експериментальні сплави ніобію й титану за екстремального холоду не стають крихкими, як це зазвичай відбувається з багатьма іншими металами.
Результати дослідження опублікували 14 жовтня в журналі Nature. Відкриття може допомогти розробляти матеріали для обладнання, яке працює в надзвичайно холодних умовах, зокрема в аерокосмічній галузі та кріогенних енергетичних системах.
Чому метал стає крихким на морозі
Зниження температури зазвичай підвищує міцність металів, але водночас може зробити їх більш схильними до руйнування. Замість того щоб деформуватися під навантаженням, матеріал починає тріскатися й ламатися.
Особливо помітна ця проблема у металах із об’ємно-центрованою кубічною кристалічною структурою. До них належать, зокрема, залізо, вольфрам і хром. За дуже низьких температур механізми, які зазвичай дозволяють металу змінювати форму та поглинати механічне навантаження, працюють гірше. Через це навіть невелика тріщина може швидко поширитися всередині матеріалу.
Однак досліджені сплави ніобію й титану поводилися інакше. Навіть за температури близько 20 кельвінів, тобто −253 °C, вони зберігали здатність протистояти пошкодженням. Науковці не зафіксували помітного переходу до крихкого руйнування в межах проведених випробувань.
Як мікроскопічні зміни захищають метал від тріщин
Зазвичай метали деформуються завдяки руху дислокацій — невеликих дефектів у кристалічній структурі. Вони дають змогу окремим шарам атомів зміщуватися відносно один одного, завдяки чому матеріал може поглинати механічне навантаження без руйнування.
За екстремального холоду рух дислокацій ускладнюється. Але в досліджених сплавах активується альтернативний механізм — так зване нанорозмірне двійникування.
Під час цього процесу невеликі ділянки кристалічної структури перебудовуються у дзеркально симетричні конфігурації. Одночасно відбувається локальна зміна кристалічної фази матеріалу.
Коли новоутворені ділянки взаємодіють із межами між сусідніми кристалами, там виникають локальні концентрації напруження. Вони сприяють появі нових дислокацій, які дають матеріалу додаткові можливості для деформації.
Інакше кажучи, коли звичні механізми руху атомних дефектів стають менш ефективними, метал створює альтернативні шляхи для поглинання навантаження. Завдяки цьому тріщинам складніше поширюватися, а матеріал не руйнується так раптово.
Як перевіряли сплави за температури −253 °C
Експерименти проводили на установці Engin-X у дослідницькому центрі ISIS Neutron and Muon Source в Оксфордширі. Зразки охолоджували за допомогою газоподібного гелію приблизно до −253 °C, а потім розтягували, прикладаючи силу з протилежних боків.
Під час випробувань крізь матеріали спрямовували потік нейтронів. Це дало змогу дослідникам вимірювати реакцію сплавів на навантаження та спостерігати за змінами їхньої внутрішньої структури.
Після завершення тестів зразки вивчали за допомогою електронних мікроскопів та атомно-зондового аналізу. Отримані дані разом із комп’ютерним моделюванням допомогли встановити, як двійникування, фазові перетворення та утворення нових дислокацій взаємодіють між собою.
Де можуть знадобитися такі матеріали
Результати можуть змінити підхід до створення металів для кріогенних умов. Такі матеріали потенційно будуть корисними для космічної техніки, транспортних систем, енергетичного обладнання та інших конструкцій, які мають витримувати надзвичайно низькі температури.
Важливим є й ширший висновок дослідження. Раніше науковці переважно зосереджувалися на тому, наскільки легко наявні дислокації можуть рухатися всередині металу. Тепер з’явилися підстави вважати, що здатність матеріалу створювати нові дислокації також може визначати його стійкість до крихкого руйнування.
Втім, поки що незвичайну поведінку продемонстрували лише два експериментальні сплави. Для практичного використання потрібно перевірити їхні властивості в різних умовах і з’ясувати, чи можна масштабувати цей підхід для промислового виробництва.
Попри це, відкриття пропонує новий принцип проєктування металів: замість того щоб покладатися лише на звичні механізми деформації, можна створювати матеріали, здатні активувати додаткові способи поглинання навантаження навіть за екстремального холоду.