Исследование позволит заметно поднять ресурс металлических деталей.
Исследователи из Брауновского университета (США) выяснили, что нанесение на металлические детали наноблизнецов — рядов из одинаковых микроскопических канавок, предотвращает «усталость» металла под действием постоянно повторяющихся нагрузок. Благодаря этому не накапливаются микротрещины, и детали не рискуют разрушиться. Именно на микротрещины приходится более 90 процентов всех поломок металлических изделий. Соответствующая статья опубликована в Nature.
Авторы новой работы использовали для эксперимента два специально изготовленных металлических слитка (из меди). Поверхность первого они покрыли одинаковыми парными насечками, нанесенными через точно повторяющиеся промежутки. После этого оба слитка подвергли растяжению на специальном стенде. В общей сложности на каждый медный слиток пришлось 17 000 циклов нагрузки, при этом ученые все время измеряли твердость/мягкость образца и его удлинение под действием растяжения и сжатия. В конце испытаний все параметры экспериментального слитка остались теми же, что и в начале. А вот у контрольного образца из обычной меди заметно изменились свойства.
Это очень необычно — практически все металлы в норме под действием нагрузок либо становятся тверже (например, сталь, применяемая для изготовления рельс), либо мягче (ряд сплавов цветных металлов). Обе тенденции могут иметь очень неприятные последствия. Инженеры, проектирующие детали, закладывают в них твердость/мягкость типичную для новых металлических изделий. Когда те, со временем, твердеют или размягчаются, деталь перестает соответствовать заложенным в нее при проектировании параметрам и может растрескаться (при излишнем росте твердости) или деформироваться (смяться) при падении твердости.
Происходит это за счет миграции дислокаций — таких мест в кристаллической решетке металла, где отсутствует тот или иной «положенный» атом. Усталостные многократные нагрузки постепенно «выдавливают» все дислокации в одну и ту же точку. Кристаллическая решетка металла в этом месте резко теряет прочность, и именно поэтому здесь начинается образование трещин.
Как оказалось, после появления на поверхности меди наноканавок миграция дислокаций резко затрудняется. Они могут перемещаться лишь между канавками, образуя в итоге параллельные ряды дислокаций или «дислокационные ожерелья». Трещины в таких «ожерельях» не появляются, поскольку концентрация дислокаций для этого слишком низкая. К тому же неизменно стабильными остается и твердость/мягкость металла.
Авторы исследования полагают, что смогут применить свою методику и для других металлов и сплавов — в частности, стали. Это позволит заметно поднять ресурс металлических деталей.