Принято считать, что нагрев большинства металлов приводит к снижению их прочности и смягчению. Однако недавнее исследование показало совершенно иную ситуацию: при определенных условиях чистые металлы могут вести себя кардинально иначе.
Кузнецам давно известно, что обработка металла огнем упрощает дальнейшую работу — металл становится мягче и легче принимает нужную форму. Исследователи Северо-Западного университета обнаружили удивительный обратный эффект: при специфических экстремальных условиях нагрев, наоборот, усиливает свойства металлов без примесей — они становятся более прочными и устойчивыми к деформации, сообщает Tech Xplore.
Ученые провели эксперименты с металлическими образцами различной степени чистоты, в том числе высокоочищенным никелем, титаном, золотом и медью, а также их слегка легированными версиями. Образцы подверглись воздействию температур от комнатных условий до 155 °C. Результаты эксперимента показали значительное различие в поведении материалов: при повышении температуры чистые металлы увеличивали свою твердость и прочность, в то время как сплавы демонстрировали традиционное смягчение при нагревании.
Это открытие стало неожиданностью для ученых, так как традиционно считалось, что повышение прочности достигается за счет добавления примесей. Например, чистая форма железа обладает низкой прочностью и легко деформируется, однако введение углерода превращает его в сталь — материал, способный выдерживать огромные нагрузки и служить основой крупных конструкций.
Парадоксальное усиление прочности чистых металлов объясняется атомными колебаниями. Когда частица с высокой энергией проникает в поверхность чистого металла, она сталкивается с сильным сопротивлением со стороны колеблющихся атомов. Некоторые из них постоянно движутся в обратном направлении деформации, создавая дополнительное напряжение. Чем выше температура, тем интенсивнее становятся эти вибрации, что усложняет проникновение частицы внутрь структуры металла и тем самым повышает его устойчивость к деформации.
Примеси в сплавах действуют как барьеры, замедляющие процессы деформации. Под воздействием тепла энергия дефектов увеличивается настолько, что они начинают преодолевать эти преграды, что приводит к восстановлению традиционного эффекта снижения прочности при повышении температуры. Достаточно добавить всего около 0,3% легирующего компонента, чтобы нейтрализовать аномалию усиления прочности чистого металла при нагреве.
Полученные результаты имеют особое значение для технических решений, применяемых в условиях значительных температурных воздействий и высоких скоростей деформации. Термообработка чистого металла может значительно усилить его способность противостоять воздействию абразивных сред, механических ударов и движений на гиперзвуковых скоростях. Кроме того, инженеры получают возможность целенаправленно изменять реакцию металла на высокие температуры за счет варьирования его чистоты.
Тем временем в России разработан сверхчувствительный молекулярный термометр.
Фото: hi-tech.mail.ru