Твердость эластичного сплава увеличилась при нагревании

Химики из Китая и Тайваня приготовили эластичный сплав из кобальта, никеля, гафния, титана и циркония. Из-за искаженной кристаллической решетки его модуль упругости практически не зависит от температуры. Более того, в отличие от большинства других, этот сплав становится жестче при нагревании, пишут ученые в Nature.

Большинство металлов и сплавов при нагревании расширяются, а их механические свойства из-за этого изменяются. Первый сплав, у которого модуль упругости практически не менялся с изменением температуры, получил Шарль Эдуаар Гийоом в начале XX века. Он назвал необычный сплав элинваром, а впоследствии, когда таких материалов стало больше, их для удобства объединили в отдельный класс и стали называть «элинвары». Применяли такие сплавы для изготовления деталей механических часов и морских хронометров.

Химики под руководством Ян Юна (Yang Yong) из Городского университета Гонконга изготовили сплав, у которого механические свойства не зависят от температуры, как у элинваров. Более того, он становится немного тверже при нагревании. Авторы сплавили образцы кобальта, никеля, гафния, титана и циркония с помощью дуговой печи и получили сплав примерного состава Co₂₅Ni₂₅(HfTiZr)₅₀ (формула отражает только примерное соотношение атомов металлов).

Атомные радиусы элементов, из которых химики приготовили сплав, сильно различаются. Обычно это приводит к разрушению кристаллической решетки и образованию аморфной фазы. Но в этом случае, к удивлению авторов, сплав получился кристаллическим. Эксперименты по электронной микроскопии показали, что атомы металлов в кристалле распределились равномерно, а структура решетки соответствует типу B2.

Чтобы изучить механические свойства своего материала, химики провели испытания по сжатию его кристаллических и поликристаллических образцов. Предел текучести для обоих видов образцов составил около 1,9 гигопаскаля, а модуль Юнга — около 100 гигопаскалей, при этом рассчитанное относительное удлинение в 2 процента удивило ученых: оно оказалось самым большим среди всех кристаллических материалов. Измерения модуля Юнга при разных температурах показали, что он практически не меняется при нагревании от 300 до 900 кельвинов, а при дальнейшем нагревании слабо возрастает.

Далее химики провели дополнительные эксперименты и выяснили, что эффективность хранения энергии для их сплава приближается к 100 процентам. Чтобы наглядно продемонстрировать этот факт, химики провели эксперимент, в котором бросали шарики из разных сплавов на твердую поверхность. Как можно видеть, шарик из нового сплава отскакивал дольше всего.

Чтобы выяснить причину такого необычного поведения их сплава, химики провели эксперименты по дифракции рентгеновских лучей. Они хотели узнать, не претерпевает ли их материал фазового перехода при деформации. Оказалось, что этого не происходит, и авторы предположили, что необычная эластичность и упругость их материала связана с его сильно деформированной кристаллической структурой. Проведенные компьютерные расчеты методом теории функционала плотности и другие дополнительные эксперименты подтвердили это предположение.

В результате химики получили очень эластичный и упругий материал с деформированной кристаллической решеткой. Его модуль Юнга увеличивался при нагревании выше 900 кельвинов, что совершенно не характерно для металлов и металлических сплавов. Авторы работы надеются, что комбинация таких необычных свойств найдет свое применение в новых технологических разработках.

Ранее мы рассказывали о другом очень необычном материале, который получили из древесины американские материаловеды. Им удалось увеличить твердость обычной древесины в двадцать три раза.

Михаил Бойм