Международная группа учёных показала, что два экспериментальных сплава на основе ниобия и титана сохраняют стойкость к трещинам даже при температуре 20 кельвинов, или −253 °C. Результаты опубликованы в журнале Nature в статье «Competing mechanisms toughen bcc binary and medium-entropy alloys at 20 K». Работу возглавили исследователи Калифорнийского университета в Беркли, в ней участвовали Оксфордский и Бристольский университеты, Национальная лаборатория имени Лоуренса в Беркли, Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория, Техасский университет A&M, Наньянский технологический университет в Сингапуре и другие центры.
Металлы с объёмно-центрированной кубической решёткой, к которым относятся железо, вольфрам и хром, на холоде обычно становятся прочнее, но теряют пластичность. Небольшая трещина, безопасная при комнатной температуре, в таких условиях может быстро разрастись и разрушить деталь. У исследованных сплавов перехода в хрупкое состояние не зафиксировали даже при самой низкой температуре испытаний.
Учёные выяснили, что на холоде сплавы меняют способ деформации. Когда привычное движение дислокаций — дефектов кристаллической решётки — затрудняется, в металле образуются нанодвойники, то есть участки с зеркально развёрнутой кристаллической структурой, и происходит локальная перестройка решётки. Эти структуры создают напряжения на границах зёрен, где рождаются новые дислокации, и металл продолжает деформироваться вместо того, чтобы трескаться.
Образцы охлаждали газообразным гелием и растягивали на испытательной машине, измеряя прочность и удлинение до разрыва. Эксперименты проводили на установке Engin-X источника нейтронов и мюонов ISIS в Оксфордшире, а структуру металла затем изучали с помощью электронной микроскопии, атомно-зондового анализа и компьютерного моделирования.
«Нас удивило, что эти сплавы остаются исключительно устойчивыми к повреждениям даже при 20 кельвинах», — заявил автор-корреспондент работы профессор Оксфордского университета Дун Лю. По его словам, такие материалы могут пригодиться для деталей, которые работают и при очень высоких, и при очень низких температурах. Ведущий автор исследования Дэвид Кук, выполнявший работу в Беркли и ныне работающий в Кембриджском университете, считает, что при разработке морозостойких металлов стоит делать ставку на способность материала порождать новые дефекты на границах кристаллов. Исследователи называют возможными областями применения энергетику, транспорт и аэрокосмическую отрасль.
