Ученые обнаружили металлы, противостоящие глубокой заморозке при -424°F

Ученые обнаружили неожиданный механизм, позволяющий определенным металлам сопротивляться растрескиванию при температурах до -253°C (-424°F), когда аналогичные материалы обычно становятся опасно хрупкими. Два экспериментальных сплава на основе ниобия и титана вместо разрушения реорганизуют свою внутреннюю структуру, создавая новые способы поглощения напряжения и сохранения гибкости.

Открытие, опубликованное 14 октября в журнале Nature, бросает вызов давним представлениям о поведении металлов при экстремально низких температурах. Исследование возглавила международная команда из Калифорнийского университета в Беркли, Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли и Оксфордского университета. Обычно охлаждение повышает прочность металла, но для металлов с объемно-центрированной кубической решеткой (таких как железо, вольфрам, хром) оно сопровождается серьезным недостатком — они становятся хрупкими, и трещины распространяются вместо того, чтобы материал мог деформироваться. Однако сплавы ниобия и титана сохранили ударную вязкость даже при 20 кельвинах. Причина в активации процесса наноразмерного двойникования, при котором микроскопические области кристаллической структуры перестраиваются в зеркальные паттерны, создавая дополнительные дефекты и новые пути для релаксации напряжения. Это похоже на дорожную систему, которая находит альтернативные маршруты, когда обычные дороги блокированы льдом.

Открытие предлагает новый подход к разработке конструкционных металлов, способных выдерживать экстремально низкие температуры, что может быть ценно для энергетических систем, транспорта и аэрокосмической инженерии. Как отметил профессор Оксфордского университета Дун Лю, эти сплавы остаются удивительно устойчивыми к повреждениям даже при 20 кельвинах, а понимание совместной работы двойникования и фазового превращения открывает новый путь для проектирования материалов, работающих в криогенных средах. Кроме того, результаты меняют представления о том, что определяет переход к хрупкости: теперь важно не только то, насколько легко существующие дислокации могут двигаться, но и способность создавать новые дислокации на границах раздела. Это может позволить проектировать микроструктурные условия, при которых материал сам создает маршруты для сохранения пластичности при экстремальных температурах.