Разработан сплав в 10 раз менее хрупкий, чем сталь, даже при −253 °C

В Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) изучили два новых сплава с объемно-центрированной кубической решеткой (ОЦК) при температуре −253 °C. Судя по результатам экспериментов, обнародованным в Nature, даже в таких суровых условиях материалы сохранили великолепные свойства.

Самый известный ОЦК-сплав — сталь. Как и другие материалы из этой группы, она становится хрупкой при охлаждении. Попытка создать морозоустойчивые сплавы приводит к снижению максимально допустимых температур. А это не менее важно — в изготовлении лопаток турбин, например, или ракетной техники.

Противоположность хрупкости — пластичность и вязкость, объясняет профессор Роберт Ричи из Berkeley Lab, руководивший исследованием.

«Мы искали способы сделать эти сплавы пластичными, и в результате получили два материала, которые показывают высокую вязкость в огромном диапазоне температур — от гелиевых температур, 20 кельвинов, вплоть до 1300 градусов Цельсия», — говорит он.

В исследовании изучались сплавы Nb₄₅Ta₂₅Ti₁₅Hf₁₅ и Nb₇₀Ti₃₀. Образцы подвергли разным видам механической обработки — от проката до ковки, нагревали, охлаждали, а затем исследовали методами фрактографии, дифракции обратнорассеянных электронов, просвечивающей электронной микроскопии и другими, испытывая на изгиб и излом.

Сплавы так и не стали хрупкими — вязкость многокомпонентного достигала почти 100 МПа·√м при 20 К, бинарного — до 170; а при комнатной температуре этот показатель превысил 250 МПа·√м.

Мегапаскаль на корень из метра (МПа·√м) — единица измерения вязкости материалов, рассказывает соавтор исследования Дэвид Кук из Кембриджского университета, ранее работавший у профессора Ричи.

«Если взять кремний, который мы используем в компьютерных чипах, у него очень высокая прочность, но вязкость — всего около 3 МПа·√м. У самых вязких из существующих ОЦК-материалов, например стали, вязкость при гелиевых температурах составляет всего 10–20 МПа·√м», — приводит пример он.

Авторы предполагают, что секрет устойчивости новых сплавов — в особой последовательности деформаций, которые они претерпевают при растяжении.

«Это очень необычная последовательность, и, по-видимому, механизмы как бы конкурируют друг с другом, когда начинаешь деформировать материал. Многое еще не понятно, но эти материалы могут помочь нам выйти за температурные пределы современных никелевых суперсплавов. Наши сплавы — не самые прочные в мире, но для некоторых применений сверхпрочность и не нужна: нужно лишь сопротивляться разрушению и выдерживать нагрев», — подытожил профессор.

Стабильность механических параметров сплавов при нагреве сомнений практически не вызывает. Но пока не ясно, как они себя проявят в таких условиях химически. Изучению окисления и коррозии при высоких температурах будут посвящены дальнейшие исследования.