Физики заметили необычное поведение многокомпонентных сплавов при деформации. Выяснилось, что при экстремальной угловой нагрузке в кристаллической структуре металла образуется аморфная фаза. Это очень необычное явление для сплавов, а в случае с многокомпонентными — наблюдается впервые. Статья опубликована в Science Advances.
Высокоэнтропийные сплавы, разработанные независимо Брайаном Кантором (Brian Cantor) и Йен-Веем Йе (Jien-Wei Yeh) в 2004 году, представляют собой смесь из не менее пяти металлов, содержание которых примерно одинаково. Поэтому иногда их называют эквиатомными высокоэнтропийными сплавами. Известно, что такие сплавы демонстрируют необычные для металлов и известных сплавов свойства. Например, при низких температурах они проявляют такую же или даже повышенную прочность, тогда как обычные сплавы становятся хрупкими и их прочность заметно падает. Помимо этого, высокоэнтропийные сплавы заметно выигрывают у обычных в прочности и пластичности, и как результат, в устойчивости к деформации.
Согласно теории пластичности, есть три механизма пластической деформации: дислокация, двойникование и фазовое превращение. Дислокация возникает при частичном сдвиге поверхности внутри металла, фазовое превращение — при возникновении новой фазы с другим кристаллическим строением. Двойникование — это возникновение кристалла в кристалле за счет вращения внутренних фрагментов металла относительно всего образца. Помимо этих механизмов, существует еще один, более редкий — аморфное превращение. Он заключается в образовании аморфной фазы в кристаллической структуре металла. Описание таких явлений и оценка их влияния на механические свойства потенциального конструкционного материала — важное направление металлургии и смежных дисциплин.
Группа ученых под руководством Шитенга Жао (Shiteng Zhao) из Калифорнийского университета Беркли использовала высокоэнтропийный сплав из хрома, железа, марганца, кобальта и никеля для доказательства существования аморфной фазы при сильных деформациях. Перед самим экспериментом физики провели исследование исходных образцов сплава, чтобы увидеть его изначальное состояние. На дифракционных снимках отраженных электронов и изображениях просвечивающего электронного микроскопа видно множество дислокаций и плоскостей сдвига, которые получены в результате штамповки образцов. Для тестов были выбраны три режима нагрузки: одноосный квазистатический (10-3 секунд-1), одноосный динамический (1,7×103 секунд-1) и динамического сдвига (6,0×105 секунд-1). Для испытания первых двух режимов использовались образцы цилиндрической формы. Для испытания экстремальной нагрузки динамического сдвига использовался образец в форме шляпы. Как и ожидалось, прочность образца возрастает с ростом нагрузки (10-3 секунд-1 < 1,7×103 секунд-1 < 6,0×105 секунд-1). Это интересное свойство было продемонстрировано на примере похожего сплава. Помимо этого образцы демонстрируют очень высокую твердость в диапазоне от одного до двух гигапаскалей: при изначальном уровне внутреннего напряжения равном 0,8 условных единиц, после одноосных нагрузок он увеличился только до 0,95.
В то же время, при применении нагрузки динамического сдвига, в образце наблюдался целый ряд деформационных эффектов и в том числе аморфное превращение. Авторы отмечают отсутствие дефектов внутри самой аморфной фазы, что может свидетельствовать о ее повышенной твердости относительно остального объема. Таким образом, при применении экстремальной сдвиговой нагрузки, в сплаве наблюдаются четыре типа пластической деформации, в том числе редкое аморфное превращение, которое впервые зарегистрировано для сплавов этого типа. Свойства, которые демонстрируют высокоэнтропийные сплавы, могут быть очень полезны в конструкционных материалах, особенно при низких температурах, где все остальные сплавы становятся хрупкими.
Разработки сплавов с необычными свойствами представляют все больший интерес, особенно учитывая развитие технологий 3D-печати. Ранее ученые уже научились печатать конструкции из алюминиевых сплавов. А немецкие физики даже смогли воспроизвести дамасскую сталь.
Егор Длин
При каждом нажатии он меняет структуру, не забывая о предыдущих изменениях
Физики создали механический метаматериал с эффектом памяти, который можно использовать как примитивный счетчик до десяти. Этот материал представляет собой массив из десяти деформируемых ячеек, каждая из которых может находиться в одном из двух состояний, меняющихся при нажатии. При этом предыдущих изменений материал не забывает. В будущем счетчики с подобной конструкцией могут оказаться полезными для мягкой робототехники и умных сенсоров, пишут ученые в Physical Review Letters. Свойства метаматериалов определяются в первую очередь не химическим строением, а геометрической микроструктурой (например, расположением слоев различных веществ или периодичностью атомной решетки) и для них характерны аномальные значения различных физических параметров. Например, если растягивать в продольном направлении ауксетики, обладающие отрицательным значения коэффициента Пуассона, то в перпендикулярном направлении они расширяются (в то время как обычные материалы сжимаются). Ученые работают и над метаматериалами, обладающими памятью: они запоминают воздействие и реагируют на него сменой физических свойств. Например, если нагреть полимер с памятью формы, он вернет исходную (до деформации) форму. Однако такие материалы запоминают лишь начальное состояние, запомнить несколько последовательно меняющихся состояний им не под силу. Физики Мартин ван Хеке (Martin van Hecke) и Леннард Квакернак (Lennard Kwakernaak) из Лейденского университета разработали метаматериал, у которого память о предыдущих деформациях не сбрасывается. Храня информацию о предыдущих воздействиях, такой материал фактически способен считать: он запоминает каждое нажатие, последовательно меняя свою структуру. Ученые сделали материал на 3D-принтере из стоматологической силиконовой смеси для слепков. Он состоит из отдельных ячеек, каждая из которых включает в себя две балки: одну тонкую и одну толстую. Тонкая балка может изгибаться либо влево, либо вправо. Толстая балка служит перегородкой, отделяя ячейки материала друг от друга. Значение критической деформации для толстой и тонкой балок различны, поэтому одного нажатия достаточно для сгибания тонкой балки и частичной деформации толстой. Наличие толстой балки также не дает деформироваться тонкой балке в соседней ячейке. Материал считает следующим образом. В начальном состоянии {000...0} все тонкие балки изогнуты влево. При каждом изменении направления изгиба тонкой балки 0 меняется на 1. Превышая первым нажатием критическую деформацию тонкой балки, систему выводят в состояние {100...0}. После каждого следующего нажатия крайняя слева балка изгибается в правую сторону. Толстая балка при этом не деформируется, но за счет конструкции сгибает следующую тонкую. То есть система копирует состояние изогнутой вправо тонкой балки (1) с каждым нажатием на одну ячейку правее. В терминах нулей и единиц, подсчет можно записать как {000...0} → {100...0} → {110...0}→··· → {111...1}. До скольки может досчитать материал, зависит от числа ячеек и начального состояния системы, память метаматериала сохраняется до конца подсчета. По словам авторов работы, такой метаматериал с эффектом памяти фактически представляет собой простейший компьютер, который можно запрограммировать на счет с любого начального числа. Его работу ученые проверили, фиксируя значения критических деформаций и начиная счет с различных начальных чисел. Материаловеды отмечают, что такой счетчик из метаматериала можно изготовить и из других веществ, например каучука или полиуретана. В будущем из аналогичных ячеек ученые планируют собирать и двумерные массивы, на которых можно будет проводить более сложные вычислительные операции Метаматериалы хороши не только в счете: они помогают решать уравнения со скоростью света, а еще их можно превратить в непрерывные кристаллы времени.