Физика

Обычно исследователям приходится искать компромисс между прочностью и пластичностью сплавов. При низких температурах сохранить пластичность особенно сложно, но ученые нашли способ.

В межзвездном пространстве температура может опускаться до -270 градусов Цельсия, а на Земле при сильном охлаждении изучают материалы для квантовых технологий, сверхпроводимости, и хранят биологические образцы. Большинство металлов в таких условиях хоть и остаются прочными, становятся хрупкими. Это значит, что они выдерживают нагрузку, но не растяжения, сгибание и смену формы.

Противоположность хрупкости — пластичность, способность выдерживать растяжение. У золота эта характеристика высокая, поэтому его можно раскатывать в тончайшие листы и проволоки.

В новом исследовании физики рассказали, как заставили сплав на основе кобальта, никеля и ванадия оставаться и прочным, и пластичным при низких температурах. Подробности процесса исследователи описали в статье в журнале Nature.

Традиционные методы упрочнения сплавов не приносили достаточно значимых результатов для соединений, используемых в экстремальном холоде. Физики создали новый способ проектирования металлических сплавов. В процессе внутри формируются два типа упорядоченных атомных структур. Одни сформировали химически, вторые — механически.

Химически созданные структуры назвали субнанометровая организация близкого порядка. Она выглядит как крошечные островки упорядоченных атомов, сформированные в основном воздействием температуры. Созданная механическими методами структура — нанометровая организация дальнего порядка. Их сочетание позволило атомам внутри сплава самоорганизоваться на нескольких масштабах.

Полученный в результате экспериментов сплав на основе кобальта, никеля и ванадия исключительно прочен и вязок при температурах до -186 градусов Цельсия (87 Кельвинов). Ученые считают, что их разработка сможет применяться прежде всего в аэрокосмической индустрии, но также найдет множество применений и в других отраслях на Земле.

Он позволит создавать более прочные космические аппараты и более безопасную и надежную инфраструктуру — трубы и резервуары для сжиженного природного газа. А описанный в статье подход к проектированию материалов пригодится и для других типов сплавов.

«Наши результаты подчеркивают влияние дуплексного химического упорядочивания на механические свойства сложных сплавов и предлагают руководства для управления этими состояниями упорядочивания, чтобы улучшить их механические характеристики для криогенных применений», — написал Шань-Дун Ту (Shan-Tung Tu), один из авторов исследования.