Ученые получили самую высокую когда-либо зарегистрированную ударную вязкость материала, исследуя металлический сплав из хрома, кобальта и никеля (CrCoNi). Мало того, что металл очень ковкий, он впечатляюще прочен (хорошо сопротивляется остаточной деформации). Причем прочность и пластичность улучшаются по мере того, как он становится холоднее, у большинства же материалов совсем наоборот. Авторы исследования из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (США) опубликовали работу в Science, кратко о ней рассказали в лаборатории.
CrCoNi относится к классу высокоэнтропийных сплавов (ВЭС) — изготавливается из равных частей каждого составного элемента. Эти сбалансированные атомарные рецепты, по-видимому, наделяют некоторые из этих материалов необычайно высокой комбинацией прочности и пластичности при нагрузке, которые вместе составляют то, что называется «вязкостью».
«Ударная вязкость этого материала вблизи гелиевых температур (20 Кельвинов, -253 по Цельсию) достигает 500 мегапаскалей на квадратный метр. В этих же единицах прочность куска кремния равна единице, алюминиевый корпус пассажирского самолета — около 35, а ударная вязкость некоторых из лучших сталей — около 100. Таким образом, 500 — это ошеломляющая цифра», — сказал соруководитель исследования Роберт Ритчи, старший научный сотрудник отдела материаловедения.
Многие твердые вещества, в том числе металлы, существуют в кристаллической форме, характеризующейся повторяющимся трехмерным рисунком атомов, называемым элементарной ячейкой, которая образует более крупную структуру, называемую решеткой. Прочность и ударная вязкость материала или их отсутствие зависят от физических свойств решетки.
Ни один кристалл не совершенен, поэтому элементарные ячейки в материале неизбежно будут содержать «дефекты», ярким примером которых являются дислокации — границы, где недеформированная решетка встречается с деформированной. Когда к материалу прикладывается сила — представьте, например, сгибание металлической ложки, — изменение формы осуществляется за счет движения дислокаций через решетку. Чем легче дислокациям двигаться, тем мягче материал. Но если движению дислокаций препятствуют препятствия в виде неровностей решетки, то для перемещения атомов внутри дислокации требуется большее усилие. С другой стороны, препятствия обычно делают материал более склонным к растрескиванию.
Изображения и атомные карты, полученные с помощью этих методов, показали, что ударная вязкость сплава обусловлена тремя препятствиями дислокации, которые вступают в действие в определенном порядке, когда к материалу прикладывается сила. Во-первых, движущиеся дислокации заставляют участки кристалла соскальзывать с других участков, лежащих в параллельных плоскостях. Дальнейшее воздействие на металл создает явление, называемое нанодвойникованием, при котором области решетки образуют зеркальную симметрию с границей между ними. Наконец, если силы продолжают действовать на металл, подаваемая в систему энергия изменяет расположение самих элементарных ячеек, при этом атомы CrCoNi меняют расположение.
«Многие люди скажут: "Мы видели нанодвойникование в обычных материалах, мы видели скольжение в обычных материалах". Это правда. В этом нет ничего нового, но факт в том, здесь все они происходят в этой волшебной последовательности, что дает нам эти действительно потрясающие свойства. Структура NiCoCr самая простая, которую вы можете себе представить — это просто зерна. Однако, когда вы деформируете его, структура становится очень сложной, и этот сдвиг помогает объяснить его исключительную устойчивость к разрушению», — объяснил Ритчи.
Этот материал наиболее перспективен для космических аппаратов, особенно для исследования глубокого космоса, где царит экстремальный холод. Однако довольно эффективно делать из него также, например, обшивку самолетов, хотя он и довольно дорог в производстве.
Ученые СПбГУ синтезировали аналог самого сложного минерала на Земле
Скомканный графен и частицы металла помогли создать новый сверхпрочный материал
