Материаловеды из США экспериментально подтвердили ранее теоретически предсказанный эффект — увеличение твердости металлов при нагревании в условиях высокой скорости деформации. Они обнаружили, что медь, золото и титан становятся значительно тверже при скорости деформации около 107обратных секунд. Исследование опубликовано в Nature.
Эта новость появилась на N + 1 при поддержке Фонда развития научно-культурных связей «Вызов», который был создан для формирования экспертного сообщества в области будущих технологий и развития международных научных коммуникаций
При нагревании металлы становятся мягче. Это связано с тем, что при повышении температуры колебания атомов в металлической решетке усиливаются, и, как следствие, атомы легче двигаются вдоль определенных плоскостей кристаллической решетки. Причем движение атомов происходит при наличии дефектов в кристалле, которые называются дислокациями и представляют собой нарушения в строении кристаллической решетки. При наличии дислокаций атомные слои легко скользят относительно друг друга.
Но недавно Иэн Даудинг (Ian Dowding) и Кристофер Шу (Christopher A. Schuh) из Массачусетского технологического института решили исследовать, как нагретые металлы ведут себя при высоких скоростях деформации. Дело в том, что при быстром воздействии на поверхность металла дислокации не успевают перемещаться и начинают взаимодействовать с фононами — при этом, теоретически, твердость металла должна возрастать с ростом температуры, потому что при нагревании энергия взаимодействия фононов с дислокациями увеличивается.
Чтобы проверить эту гипотезу, ученые нанесли частицы окиси алюминия размером около 12 микрометров на стеклянную пластину, покрытую хромом. Далее они помещали перед этой пластиной образцы металлов — меди, золота или титана. После этого на выбранную частицу оксида ученые направляли лазерный импульс — в результате она вылетала с пластины и врезалась в металл на скорости около 100–200 метров в секунду, скорость деформации при этом составляла около 107 обратных секунд. Полет частицы исследователи фиксировали с помощью высокоскоростной камеры.
Сначала материаловеды провели эксперименты с медью при разных температурах — 20, 100 и 177 градусах Цельсия. Они обнаружили, что после столкновения частицы окиси алюминия отлетают тем дальше от поверхности металла, чем выше температура. Кроме того, при повышении температуры объем и диаметр кратеров, оставляемых частицами оксида, уменьшался. Все это указывало на то, что при нагревании твердость меди увеличивалась.
После проведения набора экспериментов ученые смогли точно рассчитать значения динамического предела текучести и динамической твердости меди при трех исследуемых температурах. Оказалось, что предел текучести меди возрастает примерно на 30 процентов при нагревании от 20 до 177 градусов Цельсия. А ее твердость при 177 градусах (300 мегапаскалей) практически равна твердости стали.
Так ученые показали, что твердость меди возрастает при нагревании, если скорость ее деформации составляет около 107 обратных секунд. Этот же эффект материаловеды наблюдали при исследовании титана и золота.
Ранее мы рассказывали о том, как химики придумали простой способ увеличения твердости древесины.
