Berkeley Lab: сплавы Nb70Ti30 и Nb45Ta25Ti15Hf15 при 20 К не охрупчиваются, вязкость до 170 МПа·√м
Два тугоплавких ОЦК-сплава не показали перехода из пластичного состояния в хрупкое до 20 К: вязкость вышла на плато, а не упала, как обычно у ОЦК-металлов.
Исследователи Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) испытали тугоплавкие сплавы с объёмно-центрированной кубической решёткой (ОЦК) при температуре около 20 К (−253 °C) и не обнаружили перехода из пластичного состояния в хрупкое, следует из статьи на nature.com nature.com
nature.comnature.comОткрыть источник ↗. Предел текучести при растяжении и вязкость разрушения с понижением температуры вышли на плато, а не упали. Работу возглавлял профессор Роберт Ричи. Среди изученных сплавов — Nb45Ta25Ti15Hf15 и Nb70Ti30.
По данным лаборатории, вязкость разрушения многокомпонентного сплава при 20 К достигла почти 100 МПа·√м, бинарного — до 170 МПа·√м. При комнатной температуре она превысила 250 МПа·√м. В более ранней работе для Nb45Ta25Ti15Hf15 при 77 К измерили до 90 МПа·√м. Для сравнения соавтор Дэвид Кук из Кембриджского университета привёл сталь, одну из самых вязких ОЦК-систем: при гелиевых температурах у неё 10–20 МПа·√м, у кремния — около 3 МПа·√м.
Почему ОЦК-металлы обычно охрупчиваются
В ОЦК-металлах и сплавах пластическая деформация традиционно обеспечивается винтовыми дислокациями. Их движение требует термически активируемого зарождения пар кинков, поэтому при низкой температуре скольжение замедляется. Прочность резко растёт, пластическая зона у вершины трещины сужается, и разрушение становится хрупким. Этот переход ограничивал применение ОЦК-сплавов — от сталей около комнатной температуры до тугоплавких сплавов при температурах до 1200 °C.
Двойникование и ω-фаза вместо скольжения дислокаций
Авторы изучали тугоплавкие ОЦК-сплавы групп IV–V со сходной электронной структурой. Они провели одноосные испытания на растяжение и испытания на вязкость разрушения по J-интегралу в нелинейно-упругой постановке, а затем применили дифракцию обратнорассеянных электронов, фрактографию и просвечивающую электронную микроскопию nature.com
nature.comnature.comОткрыть источник ↗. Образцы получали разными видами механической обработки — от прокатки до ковки.
Плато возникает из-за глобальной активации двойникования и превращения в ω-фазу: они зарождают дислокации на границах раздела до начала глобального движения дислокаций. Этот начальный механизм не зависит от температуры и управляет текучестью. Поэтому пластическая зона у вершины трещины не сужается при охлаждении.
Ричи сообщил о вязкости в диапазоне от 20 К до 1300 °C и отметил, что многое в последовательности механизмов деформации пока не ясно. По его словам, сплавы не самые прочные, но для некоторых применений важнее сопротивление разрушению и стойкость к нагреву. Химическое поведение сплавов при высокой температуре пока неизвестно: окисление и коррозию изучат в дальнейших работах.
