Обычно при разработке сплавов исследователи сталкиваются с необходимостью находить баланс между прочностью и пластичностью материалов. Особенно сложно сохранить пластичность при низких температурах, однако ученым удалось найти решение этой задачи.

Проблема хрупкости металлов на морозе

В условиях космоса температура может опускаться до -270°C, а на Земле материалы подвергаются сильному охлаждению при создании квантовых технологий, сверхпроводимости и хранении биологических образцов. В таких экстремальных условиях большинство металлов сохраняют прочность, но становятся хрупкими — они выдерживают нагрузку, но не способны к растяжению, изгибу или изменению формы.

Пластичность — противоположность хрупкости, это способность материала выдерживать растяжение. Например, золото обладает высокой пластичностью, поэтому его можно раскатывать в тончайшие листы и проволоку.

Новый подход к созданию сплавов

В недавнем исследовании физики описали, как им удалось создать сплав на основе кобальта, никеля и ванадия, который сохраняет и прочность, и пластичность при низких температурах. Подробности процесса опубликованы в журнале Nature.

Традиционные методы упрочнения сплавов не давали значимых результатов для материалов, используемых в условиях экстремального холода. Исследователи предложили новый способ проектирования металлических сплавов, при котором внутри материала формируются два типа упорядоченных атомных структур: одни возникают химическим путем, другие — механическим.

Химически созданные структуры получили название субнанометровая организация ближнего порядка. Они выглядят как крошечные островки упорядоченных атомов, формирующиеся в основном под воздействием температуры. Механически созданная структура — это нанометровая организация дальнего порядка. Сочетание этих структур позволяет атомам внутри сплава самоорганизовываться на нескольких масштабах.

Результаты и перспективы применения

В результате экспериментов получен сплав на основе кобальта, никеля и ванадия, который остается исключительно прочным и вязким при температурах до -186°C (87 Кельвинов). По мнению ученых, их разработка найдет применение прежде всего в аэрокосмической отрасли, а также будет востребована в других сферах на Земле.

Новый материал позволит создавать более прочные космические аппараты и надежную инфраструктуру — трубы и резервуары для хранения сжиженного природного газа. Кроме того, описанный в статье подход к проектированию материалов может быть использован и для других типов сплавов.

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