Аннотация:
Международная исследовательская группа обнаружила, что два экспериментальных сплава на основе ниобия и титана все еще могут сохранять чрезвычайно высокую трещиностойкость в экстремально низких температурах, близких к абсолютному нулю. Это открытие разрушает давнее понимание низкотемпературного охрупчивания металлов в области материаловедения и открывает новое направление для разработки более надежных материалов для будущих термоядерных энергетических устройств, квантового вычислительного оборудования, космических кораблей и инфраструктуры водородной энергетики.
Большинство металлов становятся прочнее при понижении температуры, но они также становятся более склонными к разрушению. Это особенно справедливо для металлов объемно-центрированной кубической структуры, таких как железо, вольфрам и хром. Когда температура падает до чрезвычайно низкого уровня, напряжения, которые в противном случае могли бы быть поглощены изгибом или деформацией, часто превращаются в внезапные разрушения.
Важная причина этого явления заключается в том, что активность дислокаций внутри металла ограничена. Дислокации — это линейные дефекты в кристаллических структурах, которые помогают металлам пластически деформироваться под воздействием внешних сил. Однако по мере того, как температура продолжает снижаться, эти дислокации становится все труднее перемещать, в результате чего материал теряет способность снимать напряжения и становится более хрупким.
Исследовательская группа, возглавляемая совместно Калифорнийским университетом в Беркли, Национальной лабораторией Лоуренса Беркли и Оксфордским университетом в Великобритании, обнаружила, что два экспериментальных сплава на основе ниобия и титана могут избежать этой проблемы. Даже в среде 20 Кельвинов, что составляет около минус 253 градусов по Цельсию (минус 424 градуса по Фаренгейту), они по-прежнему демонстрируют высокую устойчивость к растрескиванию, и при самой низкой температуре, проверенной экспериментально, не наблюдается измеримого хрупкого перехода.
Чтобы изучить поведение этих материалов при экстремально низких температурах, ученые провели эксперименты с использованием установки Engin-X в Источнике нейтронов и мюонов ISIS в Оксфордшире, Великобритания. Они использовали гелий для охлаждения образца примерно до минус 253 градусов по Цельсию, а затем провели испытания образца на двухосное растяжение под облучением нейтронным лучом, чтобы точно измерить нагрузку, которую материал может выдержать, и насколько он растянется перед разрушением.
Дальнейшие наблюдения с помощью электронной микроскопии раскрыли секрет прочности материала. Исследователи обнаружили, что структурные изменения, называемые «нанодвойниками», происходят вблизи трещин и внутри сплава. В ходе этого процесса локальные участки кристалла перестраиваются с образованием зеркально-симметричной структуры, что сопровождается локальной трансформацией кристаллической структуры.
Когда эти вновь образованные структуры контактируют с соседними границами зерен, они создают локальные области высокого напряжения и в дальнейшем вызывают образование новых кристаллических дефектов. Новые дефекты могут продолжать выполнять задачу пластической деформации, так что материал может продолжать деформироваться под воздействием напряжения, а не непосредственно растрескиваться.
Исследователи сравнили этот механизм с экстренным реагированием дорожной сети во время снежной бури. Когда существующие дороги заблокируются льдом и снегом, транспортная система откроет новые маршруты. Аналогичным образом, когда обычное движение дислокаций ограничивается при чрезвычайно низких температурах, образование нанодвойников создает новые каналы деформации, которые поддерживают прочность материала.
Исследовательская группа заявила, что этот ранее недооцененный микроскопический механизм открывает новый способ противодействия низкотемпературному охрупчиванию. В прошлом инженерное сообщество всегда считало, что объемноцентрированным кубическим металлам трудно избежать охрупчивания при сверхнизких температурах. Однако это исследование показывает, что при рациональном проектировании состава и микроструктуры сплава материал может активно переключать режимы деформации и продолжать поглощать и рассеивать напряжения.
Исследователи полагают, что это открытие, как ожидается, будет способствовать разработке нового поколения низкотемпературных конструкционных материалов в будущем. В термоядерных реакторах, системах хранения и транспортировки жидкого водорода, детекторах дальнего космоса и оборудовании для квантовых технологий многие ключевые компоненты должны работать при экстремально низких температурах в течение длительного времени. Материалы, сочетающие в себе высокую прочность и ударную вязкость, значительно повысят надежность и безопасность этих передовых технологических систем.
Соответствующие результаты исследования опубликованы в международном научном журнале Nature. Исследовательская группа заявила, что следующим шагом будет изучение возможности распространения этого механизма на большее количество металлических систем и разработку новых конструкционных сплавов, подходящих для более суровых условий.
Комментарии