Nature: при экстремальных воздействиях металлы становятся прочнее при нагревании
Металлы становятся мягче при нагревании, поэтому кузнецы могут придавать железу сложные формы, нагревая его докрасна. И любой, кто сравнит медную проволоку со стальной вешалкой, быстро поймет, что медь гораздо более податлива, чем сталь.
Но ученые из Массачусетского технологического института обнаружили, что когда металл сталкивается с объектом, движущимся со сверхвысокой скоростью, происходит обратное: чем горячее металл, тем он прочнее. В таких условиях, которые оказывают на металл чрезвычайную нагрузку, медь может быть такой же прочной, как сталь. Новое открытие может привести к новым подходам к разработке материалов для экстремальных условий, таких как щиты, защищающие космические корабли или гиперзвуковые самолеты, или оборудование для высокоскоростных производственных процессов.
Результаты описаны в статье, опубликованной в журнале Nature, авторами Яном Даудингом, аспирантом Массачусетского технологического института, и Кристофером Шу, бывшим главой факультета материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института, ныне деканом инженерного факультета Северо-Западного университета и приглашенным профессором Массачусетского технологического института.
Новое открытие, пишут авторы, «нелогично и противоречит десятилетиям исследований в менее экстремальных условиях». Неожиданные результаты могут повлиять на множество применений, поскольку экстремальные скорости, связанные с этими ударами, обычно возникают при ударах метеоритов о космические корабли на орбите, а также при высокоскоростных операциях механической обработки, используемых в производстве, пескоструйной очистке и некоторых процессах аддитивного производства (3D-печати).
Эксперименты, которые исследователи использовали, чтобы обнаружить этот эффект, включали стрельбу крошечными частицами сапфира диаметром всего в миллионные доли метра по плоским листам металла. Под действием лазерных лучей частицы достигали высоких скоростей, порядка нескольких сотен метров в секунду. Хотя другие исследователи время от времени проводили эксперименты с такими же высокими скоростями, они, как правило, использовали более крупные ударные элементы размером в сантиметры или больше. Поскольку в этих более крупных ударах преобладал эффект шока от удара, не было возможности разделить механические и термические эффекты.
Крошечные частицы в новом исследовании не создают значительной волны давления при попадании в цель. Но потребовалось десятилетие исследований в Массачусетском технологическом институте, чтобы разработать методы перемещения таких микроскопических частиц на таких высоких скоростях. «Мы воспользовались этим», — говорит Шу, а также другими новыми методами наблюдения за ударом на высокой скорости.
Команда использовала чрезвычайно высокоскоростные камеры, «чтобы наблюдать за частицами, когда они входят и улетают», говорит он. Когда частицы отскакивают от поверхности, разница между входящей и исходящей скоростями «говорит вам, сколько энергии было передано» в мишень, что является показателем прочности поверхности.
Крошечные частицы, которые они использовали, были сделаны из оксида алюминия или сапфира и «очень тверды», говорит Даудинг. Их диаметр составляет от 10 до 20 микрон (миллионных долей метра), что составляет от одной десятой до одной пятой толщины человеческого волоса. Когда на стартовую площадку позади этих частиц попадает лазерный луч, часть материала испаряется, создавая струю пара, которая толкает частицу в противоположном направлении.
Исследователи направили частицы на образцы меди, титана и золота и ожидают, что их результаты применимы и к другим металлам. Они говорят, что их данные предоставляют первое прямое экспериментальное доказательство этого аномального теплового эффекта увеличения прочности при большем нагреве, хотя намеки на такой эффект сообщалось и раньше.
Согласно анализу исследователей, удивительный эффект, по-видимому, является результатом того, как упорядоченные массивы атомов, составляющие кристаллическую структуру металлов, движутся в разных условиях. Они показывают, что существует три отдельных эффекта, определяющих деформацию металла под напряжением, и хотя два из них следуют предсказанной траектории увеличения деформации при более высоких температурах, именно третий эффект, называемый усилением сопротивления, меняет свой эффект, когда скорость деформации пересекает определенный порог.
За пределами этой точки перехода более высокая температура увеличивает активность фононов — звуковых или тепловых волн — внутри материала, и эти фононы взаимодействуют с дислокациями в кристаллической решетке таким образом, что ограничивают их способность скользить и деформироваться. По словам Даудинга, эффект усиливается с увеличением скорости удара и температуры, поэтому «чем быстрее вы движетесь, тем меньше способности дислокаций реагировать».
Конечно, в какой-то момент повышенная температура начнет плавить металл, и в этот момент эффект снова обратится в обратную сторону и приведет к размягчению. «У этого усиливающегося эффекта будет предел», — говорит Даудинг, — «но мы не знаем, какой он».
По словам Шу, полученные результаты могут привести к другому выбору материалов при разработке устройств, которые могут подвергаться таким экстремальным нагрузкам. Например, металлы, которые обычно намного слабее, но дешевле или легче обрабатываются, могут оказаться полезными в ситуациях, когда раньше никто и не думал их использовать.
Экстремальные условия, которые изучали исследователи, не ограничиваются космическими кораблями или экстремальными методами производства. «Если вы управляете вертолетом во время песчаной бури, многие из этих частиц песка будут достигать высоких скоростей, ударяясь о лопасти», — говорит Даудинг, а в условиях пустыни они могут достигать высоких температур, при которых проявляется эффект упрочнения.
Методы, которые исследователи использовали для открытия этого явления, могут быть применены к множеству других материалов и ситуаций, включая другие металлы и сплавы. По их словам, разработка материалов для использования в экстремальных условиях путем простой экстраполяции известных свойств в менее экстремальных условиях может привести к серьезно ошибочным ожиданиям относительно того, как материалы будут вести себя при экстремальных нагрузках.
Обсудим?
Смотрите также:
