Два экспериментальных сплава на основе ниобия и титана сохранили устойчивость к разрушению при охлаждении до 20 кельвинов, или −253 °C. Исследование опубликовано 14 октября в журнале Nature. В международную группу вошли специалисты Калифорнийского университета в Беркли, Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли и Оксфордского университета, сообщает ScienceDaily.
Обычно низкая температура повышает прочность металлов, но одновременно делает некоторые из них хрупкими. Особенно это характерно для металлов с объёмно-центрированной кубической решёткой, включая железо, вольфрам и хром. При приближении к абсолютному нулю трещина в таком материале может не компенсироваться пластической деформацией, а быстро распространяться и приводить к разрушению.
Испытанные сплавы повели себя иначе: даже при −253 °C они не продемонстрировали заметного перехода к хрупкому состоянию. Учёные связали это свойство с дополнительным механизмом деформации, который включается, когда обычное перемещение дислокаций — микроскопических дефектов кристаллической решётки — затрудняется. Благодаря этому материал получает возможность поглощать напряжение, не допуская резкого роста трещин.
Исследователи обнаружили в сплавах наномасштабное двойникование. При этом небольшие участки кристаллической структуры перестраиваются в зеркально отражённые области, одновременно меняя локальную фазу материала. Когда такие участки достигают границ между соседними кристаллами, в них возникают зоны повышенного напряжения, которые формируют новые дефекты и создают дополнительные пути для пластической деформации.
«На протяжении десятилетий переход от пластичности к хрупкости считался фундаментальным ограничением металлов с объёмно-центрированной кубической решёткой. Нас удивило, что эти сплавы сохраняют замечательную устойчивость к повреждениям даже при 20 кельвинах. Выяснив, как двойникование и фазовое превращение совместно обеспечивают пластичность до начала обычного движения дислокаций, мы обнаружили новый путь создания конструкционных металлов с объёмно-центрированной кубической решёткой для экстремальных криогенных условий. Этот класс материалов будет чрезвычайно полезен для компонентов, работающих одновременно при очень высоких и низких температурах», — заявил профессор Донг Лю из инженерного факультета Оксфордского университета.
Эксперименты провели на установке Engin-X источника нейтронов и мюонов ISIS в Оксфордшире. Образцы охлаждали газообразным гелием, растягивали с двух сторон и одновременно просвечивали нейтронным пучком, чтобы измерить выдерживаемую нагрузку, растяжение до разрушения и внутренние изменения. После испытаний специалисты изучили металл электронными микроскопами, провели атомно-зондовый анализ и использовали компьютерное моделирование. По словам ведущего автора Дэвида Кука, результаты показывают, что способность материала создавать новые дислокации на границах кристаллов может быть не менее важна, чем движение уже существующих дефектов, а найденный механизм способен помочь в разработке металлов для энергетики, транспорта и аэрокосмической техники.