Кузнецам издавна известно, что обработка металла огнем облегчает последующую работу — металл становится мягче и проще принимает нужную форму. Ученые Северо-Западного университета обнаружили удивительный обратный эффект: в особых экстремальных условиях нагрев, наоборот, усиливает свойства металлов без примесей — они становятся прочнее и устойчивее к деформации, пишет Tech Xplore.
Специалисты провели эксперименты с металлическими образцами разной степени чистоты, включая высокоочищенный никель, титан, золото и медь, а также их слегка легированные версии. Образцы подвергли воздействию температур от комнатных условий до 155 °C. Эксперимент показал значительное расхождение в поведении материалов: при повышении температуры чистые металлы увеличивали свою твердость и прочность, тогда как сплавы демонстрировали традиционное смягчение при нагревании.
Открытие стало сюрпризом для ученых, поскольку традиционно считалось, что повышение прочности достигается добавлением примесей. Например, чистая форма железа обладает низкой прочностью и легко деформируется, но введение углерода преобразует его в сталь — материал, способный выдержать колоссальные нагрузки и служить основой крупных конструкций.
Парадоксальное усиление прочности чистых металлов объясняется атомными колебаниями. Когда частица с большой энергией проникает в поверхность чистого металла, она испытывает сильное сопротивление со стороны колеблющихся атомов. Некоторые из них постоянно двигаются в противоположном направлению деформации, создавая дополнительное напряжение. Чем выше температура, тем интенсивнее становятся эти вибрации, усложняя проникновение частицы внутрь структуры металла и повышая таким образом его устойчивость к деформации.
Примеси в сплавах играют роль барьеров, замедляющих процессы деформации. Под воздействием тепла энергия дефектов увеличивается настолько, что они начинают преодолевать эти преграды, что приводит к восстановлению традиционного эффекта снижения прочности при увеличении температуры. Достаточно добавить всего около 0,3% легирующего компонента, чтобы нейтрализовать аномалию усиления прочности чистого металла при нагреве.
Полученные результаты представляют особую ценность для технических решений, применяемых в условиях значительных температурных воздействий и высоких скоростей деформации. Термообработка чистого металла способна существенно усилить его способность противостоять воздействию абразивных сред, механических ударов и движений на гиперзвуковых скоростях. Помимо прочего, инженерам предоставляется возможность целенаправленно изменять отклик металла на высокие температуры за счет варьирования его чистоты.
Тем временем в России создали сверхчувствительный молекулярный термометр.