Два експериментальні металеві сплави продемонстрували незвичайну стійкість до утворення тріщин за температури −253 °C — майже такої низької, як температура рідкого гелію. На відміну від багатьох металів, які за сильного охолодження стають крихкими, ці матеріали зберігали здатність деформуватися та протистояти руйнуванню.
Міжнародна команда дослідників під керівництвом фахівців Каліфорнійського університету в Берклі, Національної лабораторії імені Лоуренса в Берклі та Оксфордського університету з’ясувала, як сплавам вдається уникати крихкого руйнування за екстремально низьких температур. Результати дослідження опублікували в журналі Nature. Відкриття може допомогти створювати міцніші матеріали для обладнання, яке працює в умовах сильного холоду.
Чому метали стають крихкими на морозі
Зниження температури часто робить метали міцнішими, але водночас може зменшувати їхню здатність деформуватися без руйнування. Особливо це стосується металів із об’ємноцентрованою кубічною кристалічною структурою, до яких належать залізо, вольфрам і хром.
Щоб протистояти тріщинам, матеріал має перерозподіляти механічне навантаження, наприклад трохи згинаючись або розтягуючись. Цей процес значною мірою залежить від дислокацій — лінійних дефектів у кристалічній решітці, які можуть переміщуватися під дією сили.
За низьких температур рух дислокацій ускладнюється. Через це метал втрачає здатність компенсувати напруження навколо тріщини, і вона може швидко поширюватися, спричиняючи раптовий злам.
Як сплави витримали −253 °C
Дослідники випробували два експериментальні сплави на основі ніобію та титану за температури близько 20 кельвінів, що відповідає приблизно −253 °C.
Для експерименту зразки охолоджували газоподібним гелієм, а потім піддавали навантаженню на спеціальній випробувальній машині. Одночасно на них спрямовували нейтронний промінь за допомогою установки Engin-X у Центрі нейтронних і мюонних досліджень ISIS у Великій Британії. Це дало змогу вимірювати поведінку матеріалів під час розтягування.
За найнижчої випробуваної температури вчені не зафіксували вимірюваного переходу до крихкого стану. Сплави зберігали стійкість до поширення тріщин, хоча звичайні механізми деформації за таких умов працюють значно гірше.
Нові дефекти допомагають зупиняти руйнування
Щоб з’ясувати причину незвичайної поведінки матеріалів, науковці дослідили їхню внутрішню структуру за допомогою електронної мікроскопії, аналізу розподілу атомів і комп’ютерного моделювання.
Вони виявили два взаємопов’язані процеси: нанорозмірне двійникування та локальне перетворення кристалічної структури. Під час двійникування невеликі ділянки кристала перебудовуються так, що їхня орієнтація стає дзеркальним відображенням сусідньої ділянки.
Коли новоутворені структури досягали меж між сусідніми кристалами, там виникали локальні концентрації напруження. Вони запускали утворення нових дислокацій, які допомагали матеріалу продовжувати деформуватися та поглинати механічне навантаження навколо тріщин.
Отже, стійкість сплавів пояснюється не лише здатністю наявних дислокацій рухатися, а й можливістю створювати нові дефекти саме тоді, коли звичний механізм деформації стає малоефективним.
Де можуть застосовувати нові матеріали
Відкриття може стати основою для розробки конструкційних металів, здатних працювати в екстремальних кріогенних умовах. Такі матеріали потенційно знадобляться в енергетиці, транспорті та авіакосмічній галузі — зокрема там, де компоненти мають витримувати дуже низькі температури й значні механічні навантаження.
Дослідники також припускають, що отримані результати допоможуть створювати матеріали для систем, у яких одна конструкція зазнає значних перепадів температур.
Однак поки що йдеться про лабораторні випробування двох експериментальних сплавів. Їхня поведінка за реальних умов експлуатації, довговічність і можливість промислового виробництва потребують подальших досліджень. Попри це, робота пропонує новий підхід до розв’язання давньої проблеми матеріалознавства — втрати металами пластичності за екстремального холоду.