Ученые разрушили базовый закон металлургии: когда нагрев наоборот укрепляет металл

Александр Гайдамашко

Основные тезисы

Исследователи из Северо-Западного университета обнаружили, что нагрев чистого металла и его деформация на сверхвысоких скоростях укрепляет его.
Открытие имеет потенциальные практические применения, например, в разработке материалов для спутников, подвергающихся ударам микрометеоритов, путем повышения температуры для укрепления оболочки.

Тепло укрепляет чистые металлы – открытие ученых меняет металлургию

Открытие, которое перевернуло металлургию: тепло не всегда делает металл мягче / Depositphotos

Один из старейших принципов металлургии – нагрев делает металл более мягким и пластичным. Именно поэтому кузнец накаляет железо прежде чем начать его ковать. Но группа исследователей из Северо-Западного университета обнаружила, что при определенных условиях все происходит ровно наоборот.

Почему нагретый металл вдруг стал прочнее?

Новое исследование показало: если нагреть чистый металл и попытаться деформировать его на чрезвычайно высоких скоростях, тепло не ослабляет его, а наоборот – укрепляет. Это открытие противоречит тому, чему учили инженеров и металлургов на протяжении десятилетий, пишет Tech Xplore.

Чтобы исследовать поведение металлов в экстремальных условиях, ученые под руководством Кристофера Шу, декана Инженерной школы Маккормик при Северо-Западном университете, прибегли к нестандартному подходу. Поскольку обычные лабораторные тесты не способны воспроизвести нужные условия, команда использовала специальную установку, которая выстреливает микроскопическими твердыми частицами со скоростью до нескольких сотен метров в секунду.

При столкновении с поверхностью металла эти частицы растягивают его на 100 миллионов процентов от первоначальной длины буквально за одну секунду. Это в тысячу раз быстрее, чем человеческое моргание глазами.

Исследователи проверили образцы никеля, титана, золота и меди – как в чистом виде, так и в виде легированных сплавов – при температурах от комнатной до 155 градусов Цельсия. Результаты оказались поразительными: чистые металлы становились прочнее с ростом температуры, тогда как легированные сплавы вели себя традиционно – нагрев их размягчал, как показывает исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters.

Почему так происходит?

Объяснение этого феномена кроется в поведении атомов. Когда частица ударяет в чистый металл с большой скоростью, она сталкивается с сопротивлением вибрирующих атомов. Часть из них в любой момент колеблется в направлении, противоположном деформации. Чем выше температура – тем интенсивнее эти колебания, и тем труднее частице деформировать поверхность. Атомам, образно говоря, "не нравится" двигаться так быстро, поэтому они сопротивляются.

В легированных сплавах ситуация другая: примеси сами по себе являются препятствиями для деформаций, но нагрев дает дефектам структуры достаточно энергии, чтобы преодолеть эти барьеры – и металл возвращается к привычному поведению.

Интересно, что уже 0,3 процента легирующих элементов в составе металла полностью отменяло эффект.

Что это нам дает?

Это открытие имеет практическое значение для разработки материалов, работающих в условиях сверхвысоких температур и ударных нагрузок. Чистота металла может стать новым параметром проектирования – наряду с химическим составом и структурой

Например, в космосе спутники постоянно подвергаются ударам микрометеоритов. По словам Шу, можно было бы разработать реактивные системы защиты, которые в ответ на приближение микрометеорита повышают температуру оболочки спутника, делая ее крепче.

Похожие принципы могут найти применение также в гиперзвуковой авиации, внеземном строительстве и передовых производственных технологиях.