Ученые «омолодили» металлические стекла, сделав их пластичными
Металлические стекла — это непрозрачные сплавы аморфных металлов, которые, в отличие от обычных металлов, не обладают кристаллической структурой. В этом их преимущество и недостаток. С одной стороны, они устойчивы к повреждениям, как ни один другой материал. С другой стороны, из-за отсутствия кристаллической структуры металлические стекла не обладают пластичностью металлов. Это материал очень твердый, но при этом хрупкий: под сверхкритическими нагрузками он не деформируется, а немедленно разрушается. Изначально это «материал-старик», ненадежный в повседневном применении.
Сродни походу за Святым Граалем для ученых всего мира стал поиск ответа на вопрос, как «омолодить» металлические стекла? Как, сохранив прочность и упругость, придать им пластичность, способность, подобно обыкновенному металлу, деформироваться и одновременно упрочняться, а не разрушаться под нагрузками. Особенно актуальна задача была в случае с объемными металлическими стеклами (толщиной от миллиметра до десятка сантиметров), которые наиболее интересны для практического применения.
Команда ученых из ДВФУ, Кембриджского университета (Великобритания) и Института исследования металлов (Китайская академия наук, Шеньян) под руководством профессора А. Грира (Кембридж) предложила методику «омоложения» объемных металлических стекол из сплава циркония, меди, никеля и алюминия. На образец стекла в форме цилиндра воздействовали трехосным сжатием, переведя его центральную часть в менеее жесткое состояние (состояние с более высокой энергией, характеризующееся неплотной «упаковкой» атомов). «Омоложенную» таким образом сердцевину цилиндра извлекли и использовали для исследования механических свойств в стандартных условиях. Статья об этом опубликована в Nature.
При деформации «молодое» металлическое стекло еще больше прибавило в прочности по сравнению с изначальным цилиндрическим образцом и приобрело пластичность, научившись распределять сверхритические нагрузки более равномерно, то есть деформироваться, а не разрушаться. Методика может быть применена к металлическим стеклам различных составов и объема.
«Пластическая деформация — очень важное свойство структурных материалов-поликристаллических металлов. Атомы в кристаллической решетке формируют кристаллографические плоскости, которые способны скользить и смещаться относительно друг друга при механичекой деформации. Благодаря этому металлы под сверхвысокими нагрузками не разрушаются, а деформируются, приобретая повышенную прочность, называемую деформационным упрочнением. С металлическими стеклами по-другому. Благодаря изначальной высокой твердости и отсутствию кристаллической решетки такое стекло очень сложно деформировать. Когда количество стресса превышает допустимый предел, мы получаем не деформационное упрочнение, а деформационное ослабление: образуются локальные области деформации, приводящие к моментальному разрушению материала». — Рассказал Юрий Иванов, доцент кафедры компьютерных систем Школы естественных наук ДВФУ, исследователь структуры «омоложенных» металлических стекол в международном проекте.
Ученый объяснил, что металлические стекла изначально настолько твердые, что до недавнего времени просто сложно было представить механизм их дальнейшего «упрочнения». Казалось, что единственный возможный путь — это их ослабление под деформационными нагрузками.
Однако команда исследователей из ДВФУ, Кембриджа и Китайской академии наук нашла и описала механизм деформационного упрочнения металлических стекол.
Как отмечает Юрий Иванов, секрет в том, чтобы работать с нерелаксированным материалом, который сам «хочет» расслабиться, «отдохнуть» под действием нагрузки.
«Стекло, которое мы "омолодили", обладало настолько разупорядоченной структурой, что под воздействием пластической деформации оно автоматически перешло в конфигурацию с меньшей энергией, с более плотно упакованными атомами, в чем мы убедились при структурном анализе материала. Это состояние оказалось более твердым и пластичным. Таким образом, мы впервые за долгое время получили механизм, когда деформационное упрочнение металла достигается за счет ослабления энергии в материале, а не за счет ее увеличения», — отметил ученый, для которого работа стала частью докторской диссертации, ее он планирует защитить в ДВФУ.
Любопытно, что впервые объяснение деформационного упрочнения металлов было предложено в Кембриджском университете (Великобритания) математиком Д. И. Тейлором в 1934 году, а в 1956 году также в Кэмбридже П. Б. Хирш впервые наблюдал движение дислокаций в кристаллических металлах под воздействием деформаций. Сейчас, спустя 85 лет, группа ученые выявили новый механизм деформационного упрочнения некристаллических металлических стекол.
Металлические стекла называют материалом 21 века. В зависимости от состава, их получают путем напыления или быстрого перевода металлов из жидкого состояния в твердое, когда кристаллическая решетка не успевает образоваться. Материал значительно слабее подвержен воздействию таких агрессивных сред, как кислоты и морская вода по сравнению с поликристаллическими металлами.
Свойства металлических стекол могут быть востребованы во многих направлениях деятельности человека: от датчиков в шинах и сердечников трансформаторов до гибкой электроники, и космических программ. Наиболее популярной областью в ближайшем будущем станет портативная электроника. Один из участников работы, профессор Юй Ли (Китайская академия наук) отметил, что недавний образец циркониевого металлического стекла примерно такого же состава был использован в новом поколении складных мобильных устройств Huawei. Такое металлическое стекло может пережить много циклов «сгибания-разгибания».