Международная группа учёных выяснила, как некоторые металлы могут выдерживать экстремальный холод, не становясь хрупкими. Открытие, опубликованное в журнале Nature, ставит под сомнение устоявшиеся представления о поведении материалов при сверхнизких температурах и может помочь в разработке сплавов для самых суровых условий.
Исследование возглавили специалисты из Калифорнийского университета в Беркли, Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли и Оксфордского университета. Они установили, что два экспериментальных сплава на основе ниобия и титана остаются исключительно устойчивыми к разрушению при температуре 20 кельвинов (–253 °C).
Охлаждение обычно повышает прочность металлов, но одновременно делает их хрупкими. Эта проблема особенно характерна для материалов с объёмно-центрированной кубической решёткой, к которым относятся железо, вольфрам и хром. При низких температурах такие металлы вместо того, чтобы пластически деформироваться под нагрузкой, склонны к образованию и распространению трещин, что ведёт к их разрушению. Это происходит потому, что подвижность дефектов кристаллической решётки, так называемых дислокаций, обеспечивающих пластичность, резко снижается.
Однако изученные сплавы ведут себя иначе. Как показало исследование, при деформации в них запускается неизвестный ранее микроскопический процесс. Вместо перемещения уже существующих дислокаций в материале происходит наноразмерное «двойникование» – отдельные участки кристаллической структуры перестраиваются в зеркальные копии самих себя. Это сопровождается локальным изменением самой структуры кристалла.
На границах соседних кристаллических зёрен такие перестройки создают зоны высокого напряжения. Эти напряжения, в свою очередь, генерируют новые дислокации, которые дают материалу дополнительные пути для деформации и поглощения энергии. Таким образом, сплав сам создаёт себе возможность противостоять распространению трещин, когда традиционные механизмы пластичности «заморожены».
Результаты открывают новый подход к созданию конструкционных металлов, способных работать при исключительно низких температурах. Такие материалы могут быть востребованы в энергетике, аэрокосмической отрасли и на транспорте, где компоненты подвергаются резким перепадам температур.
Для изучения поведения сплавов учёные использовали установку в нейтронном и мюонном источнике ISIS в Оксфордшире. Образцы охлаждали газообразным гелием и растягивали, одновременно просвечивая их пучком нейтронов, чтобы отследить внутренние изменения. Последующий анализ под электронным микроскопом позволил детально рассмотреть структурные перестройки вблизи трещин и понять механизм необычайной прочности материала.
