Охлаждение жидким гелием придало сплаву рекордную устойчивость к распространению трещин

Химики из Великобритании, Австралии, Германии и США изучили процесс низкотемпературной деформации сплава на основе хрома, кобальта и никеля и обнаружили, что его устойчивость к распространению трещин увеличивается при охлаждении до 20 кельвинов и достигает рекордного значения. Это явление ученые связали с несколькими механизмами деформации, работающими одновременно. Исследование опубликовано в Science.

Большинство сплавов, которые применяют как конструкционные материалы, содержат один или два основных компонента и несколько добавок. Такие сплавы называют низкоэнтропийными из-за низких значений энтропии смешения их компонентов. А средне- и высокоэнтропийные сплавы, которые состоят из трех и более компонентов с равной мольной долей, изучены и применяются гораздо меньше, хотя некоторые из них обладают необычными свойствами.

Так, в 2016 году химики под руководством Роберта Ритчи (Robert O. Ritchie) из Калифорнийского университета в Беркли получили сплав, состав которого можно отразить формулой CrCoNi — он содержит равные количества каждого из трех металлов. Химики исследовали механические свойства образцов этого сплава при комнатной температуре и при охлаждении до 77 кельвинов. В результате оказалось, что при охлаждении образцы стали прочнее. Предел прочности увеличился на 50 процентов до значения в 1331 мегапаскалей, а вязкость разрушения (она показывает устойчивость материала к распространению трещин) возросла с 208 мегапаскалей на квадратный корень из метра до 273. Для сравнения, характерные значения вязкости разрушения для наиболее распространенных сталей составляют около 100 мегапаскалей на квадратный корень из метра.

Недавно та же группа химиков с коллегами из нескольких стран решила исследовать сплав CrCoNi при еще более низкой температуре. Они охлаждали образцы сплава до 20 кельвинов с помощью жидкого гелия и исследовали их механические свойства.

При охлаждении до 20 кельвинов предел прочности почти сплава почти не изменился, по сравнению со значениями, полученными в предыдущем исследовании. Напротив, вязкость разрушения возросла почти в два раза — до значения в 459 мегапаскалей на квадратный корень из метра. Такое увеличение вязкости удивило исследователей, потому что обычно вязкость и прочность металлических сплавов резко падают при охлаждении до сверхнизких температур.

Чтобы выяснить причину повышения вязкости разрушения, ученые решили изучить дефекты, образующиеся в кристаллах сплава при низкотемпературной деформации. Для этого они использовали сканирующую электронную микроскопию и просвечивающую электронную микроскопию высокого разрешения.

В деформированной области всех образцов химики обнаружили двойниковые кристаллы (twinning) и дефекты упаковки (stacking faults). Но только у охлажденных до 20 кельвинов образцов ученые нашли протяженные и толстые области кристаллической фазы с гексагональной упаковкой (упаковка кристаллов исходного сплава кубическая гранецентрированная).

Ученые предположили, что все три типа дефектов возникают последовательно при приложении силы к образцу при охлаждении. И, по мнению авторов статьи, именно за счет такой комбинации дефектов, возникающих в области деформации, образцы не трескаются.

В результате химики выяснили, в чем особенность низкотемпературной деформации сплава CrCoNi, который при 20 кельвинах обладает рекордным значением вязкости разрушения в 459 мегапаскалей на квадратный корень из метра. Исследователи считают, что в будущем CrCoNi можно будет применить в качестве материала сосудов для транспортировки жидкого водорода.

Ранее мы рассказывали о другом необычном материале, который американские материаловеды получили из древесины. Им удалось сделать обычную древесину в двадцать три раза тверже и изготовить из нее нож.