Американские инженеры из Северо-Западного университета совершили открытие, которое ставит под сомнение один из основных постулатов металлургии, известный как «тепло всегда размягчает металл». Согласно этому правилу, которого кузнецы придерживались еще с Железного века, нагрев всегда делает металл мягче и податливее, позволяя атомам скользить друг относительно друга. Однако новое исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, демонстрирует, что в экстремальных условиях этот закон перестает работать.
Команда под руководством Криса Шуха обнаружила, что при сверхвысоких скоростях деформации нагрев оказывает противоположный эффект: металл не размягчается, а становится тверже и прочнее. «Одна из самых базовых истин металлургии гласит, что если нагреть металл, он становится мягче. Но мы выяснили, что если попытаться деформировать чистый металл на экстремально высоких скоростях, все меняется наоборот. Металл укрепляется и сопротивляется деформации. Это противоречит интуиции и заставляет нас понять, что для разработки материалов, работающих в экстремальных условиях, нужно отходить от традиционных знаний», — объяснил Шух.
Чтобы проверить эту гипотезу, ученые использовали не обычный молот, а специальную микробаллистическую установку. Они «обстреливали» поверхности металлов микроскопическими частицами, движущимися со скоростью сотни метров в секунду. Воздействие было настолько интенсивным, что за секунду металл растягивался до 100 миллионов процентов от своей исходной длины. В таких условиях старые правила физики перестают действовать.
Секрет этого явления кроется в поведении атомов. При сверхбыстром ударе атомы металла начинают колебаться настолько сильно, что создают физическое препятствие на пути деформации, буквально «отталкивая» приложенную силу. С ростом температуры эти колебания усиливаются, создавая хаотичный и более стойкий барьер, который парадоксальным образом закаляет поверхность металла против высокоскоростного воздействия. Как поясняет Шух, если ударить по чистому металлу очень быстро, атомы вынуждены двигаться быстрее, чем им хотелось бы, и в ответ они сопротивляются.
Однако у этого открытия есть важное ограничение: эффект сверхпрочности работает только в чистых металлах. Эксперименты показали, что добавление всего 0,3% другого элемента (подобно тому, как углерод добавляют в железо для получения стали) полностью нивелирует это явление. В сплавах примеси выступают в роли препятствий, и тепло помогает металлу их преодолевать. Для получения эффекта упрочнения от нагрева металл должен быть безупречно чистым.
Это открывает новые горизонты в материаловедении. Рассматривая чистоту металла как конструктивный параметр, инженеры смогут создавать материалы для самых суровых условий — например, для гиперзвуковых полетов или строительства в космосе. Предполагается, что эту особенность можно использовать в системах активной защиты, таких как корпуса спутников, которые будут специально нагреваться, чтобы становиться тверже при столкновении с микрометеоритами.