Два экспериментальных сплава на основе ниобия и титана сохранили устойчивость к разрушению при температуре 20 кельвинов, или около −253 °C. Учёные установили, что при охлаждении материалы формируют новые кристаллические дефекты, благодаря чему продолжают деформироваться и не переходят в хрупкое состояние. Результаты работы опубликованы в журнале Nature.
Большинство металлов при снижении температуры становится прочнее, однако некоторые из них одновременно теряют способность противостоять трещинам. К таким материалам относятся железо, вольфрам и хром — металлы с объёмно-центрированной кубической решёткой. При охлаждении движение дислокаций, то есть линейных дефектов кристаллической структуры, затрудняется, и металл уже не может достаточно эффективно перераспределять напряжение возле трещины.
Международная группа под руководством специалистов Калифорнийского университета в Беркли, Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли и Оксфордского университета проверила поведение ниобий-титановых сплавов при температуре −424 °F. Образцы охлаждали газообразным гелием на приборе Engin-X источника нейтронов и мюонов ISIS в Оксфордшире. Затем их помещали под нейтронный пучок и растягивали с двух сторон, измеряя выдерживаемую нагрузку и удлинение перед разрушением.
Исследование структуры показало, что возле трещин и внутри металла возникают наномасштабные двойники — участки кристалла с зеркальной ориентацией. Одновременно происходило локальное изменение кристаллической структуры. Электронная микроскопия, анализ распределения отдельных элементов с помощью атомного зонда и компьютерное моделирование позволили установить, как эти процессы связаны между собой.
Когда новые структурные участки достигали границ между соседними кристаллами, там появлялись зоны повышенного напряжения. Они запускали образование новых дислокаций, которые помогали сплаву поглощать нагрузку и продолжать деформироваться, даже если прежние дислокации уже почти не перемещались. По словам ведущего автора работы Дэвида Кука, ранее переход к хрупкости связывали главным образом с подвижностью существующих дислокаций, однако способность материала создавать новые дефекты на границах также может иметь решающее значение.
Оксфордский соавтор исследования Донг Лю отметил, что сплавы сохраняли устойчивость к повреждениям даже при 20 кельвинах. Совместная работа двойникования и фазового превращения позволила материалам проявлять пластичность до начала обычного движения дислокаций. Такой подход может помочь создавать конструкционные металлы для оборудования, работающего при экстремально низких и высоких температурах, в том числе в энергетике, транспорте и аэрокосмической отрасли.