Металлы стали тверже при высоких температуре и скорости деформации

Материаловеды из США экспериментально подтвердили ранее теоретически предсказанный эффект — увеличение твердости металлов при нагревании в условиях высокой скорости деформации. Они обнаружили, что медь, золото и титан становятся значительно тверже при скорости деформации около 10⁷обратных секунд. Исследование опубликовано в Nature.

При нагревании металлы становятся мягче. Это связано с тем, что при повышении температуры колебания атомов в металлической решетке усиливаются, и, как следствие, атомы легче двигаются вдоль определенных плоскостей кристаллической решетки. Причем движение атомов происходит при наличии дефектов в кристалле, которые называются дислокациями и представляют собой нарушения в строении кристаллической решетки. При наличии дислокаций атомные слои легко скользят относительно друг друга.

Но недавно Иэн Даудинг (Ian Dowding) и Кристофер Шу (Christopher A. Schuh) из Массачусетского технологического института решили исследовать, как нагретые металлы ведут себя при высоких скоростях деформации. Дело в том, что при быстром воздействии на поверхность металла дислокации не успевают перемещаться и начинают взаимодействовать с фононами — при этом, теоретически, твердость металла должна возрастать с ростом температуры, потому что при нагревании энергия взаимодействия фононов с дислокациями увеличивается.

Чтобы проверить эту гипотезу, ученые нанесли частицы окиси алюминия размером около 12 микрометров на стеклянную пластину, покрытую хромом. Далее они помещали перед этой пластиной образцы металлов — меди, золота или титана. После этого на выбранную частицу оксида ученые направляли лазерный импульс — в результате она вылетала с пластины и врезалась в металл на скорости около 100–200 метров в секунду, скорость деформации при этом составляла около 10⁷ обратных секунд. Полет частицы исследователи фиксировали с помощью высокоскоростной камеры.

Сначала материаловеды провели эксперименты с медью при разных температурах — 20, 100 и 177 градусах Цельсия. Они обнаружили, что после столкновения частицы окиси алюминия отлетают тем дальше от поверхности металла, чем выше температура. Кроме того, при повышении температуры объем и диаметр кратеров, оставляемых частицами оксида, уменьшался. Все это указывало на то, что при нагревании твердость меди увеличивалась.

После проведения набора экспериментов ученые смогли точно рассчитать значения динамического предела текучести и динамической твердости меди при трех исследуемых температурах. Оказалось, что предел текучести меди возрастает примерно на 30 процентов при нагревании от 20 до 177 градусов Цельсия. А ее твердость при 177 градусах (300 мегапаскалей) практически равна твердости стали.

Так ученые показали, что твердость меди возрастает при нагревании, если скорость ее деформации составляет около 10⁷ обратных секунд. Этот же эффект материаловеды наблюдали при исследовании титана и золота.

Ранее мы рассказывали о том, как химики придумали простой способ увеличения твердости древесины.