Пока медь рекордно дорожает, за год она прибавила на 40%, и аналитики прочат ей славу металла будущего, учёные нашли в этом металле критичный изъян, который мешает прочности сплавов.
Международная команда исследователей выяснила, почему свойства некоторых материалов в реальных условиях оказываются ниже расчётных, и как добиться более стабильного результата. Итоги исследования, в которых принимали участие специалисты НИТУ МИСИС, ИНМЭ РАН и Каталонского института нанонауки и нанотехнологий (Испания) опубликованы в журнале Journal of Materials Science.
Во все времена человечество искало способ повысить прочность металлов. Сотни научных работ, опытов и ещё больше проектов. И вот российские и испанские учёные, похоже, существенно продвинулись в этом вопросе.
Учёные МИСИС Александр Зайцев (слева) и Павел Логинов (справа)
Как сообщает пресс-служба МИСИС, учёным удалось в режиме реального времени зафиксировать, как зарождаются и распространяются трещины, и точно определить самое уязвимое место в структуре материала. Оказалось, что «ахиллесовой пятой» являются крупные включения меди. Это открытие объясняет давнее противоречие: почему добавление меди, которая сама по себе является одним из самых пластичных металлов, на практике не только не повышает пластичность сплава, но зачастую даже снижает её, а в ряде случаев — и прочность.
Какая бывает прочность металла?
В металлургии и материаловедении различают несколько видов прочности:
- Временное сопротивление разрыву — максимальное напряжение, которое выдерживает образец до разрушения.
- Предел текучести — напряжение, при котором начинается пластическая деформация (необратимая).
- Предел прочности при сжатии, изгибе, кручении — в зависимости от вида нагрузки.
Дело в том, что классический сплав металлов содержит десятки процентов одного или двух основных компонентов, которые определяют прочность и пластичность материала. Например, сплав меди (примерно 80 процентов) и олова (примерно 20 процентов) — оловянная бронза — значительно тверже своих составляющих. Стойкость сплава к коррозии, перепадам температур и другие дополнительные эксплуатационные свойства достигаются легированием — добавлением небольших количеств других элементов, например хрома или никеля, пояснили в НИТУ МИСИС.
«Есть другой класс сплавов металлов, которые состоят не менее чем из пяти химических элементов, взятых в приблизительно равных количествах. Такие сплавы называют высокоэнтропийными. Их состав и строение кристаллической решетки обеспечивают высокую прочность, термическую стабильность, коррозионную и радиационную стойкость (то есть ионизирующему радиоактивному излучению). Поэтому они перспективны для атомной промышленности, химического машиностроения, создания микроэлектромеханических систем и алмазного инструмента», — рассказал РИА Новости один из авторов работы, член-корреспондент РАН, заведующий кафедрой порошковой металлургии и функциональных покрытий, директор Научно-учебного центра самораспространяющегося высокотемпературного синтеза МИСИС-ИСМАН Евгений Левашов.
Что такое высокоэнтропийные сплавы (ВЭС)?
Высокоэнтропийные сплавы (High-Entropy Alloys, HEA) — это новое поколение металлических материалов, которые кардинально отличаются от традиционных сплавов по составу, структуре и свойствам. Их ключевая особенность — наличие пяти или более основных элементов в близких концентрациях (обычно от 5 до 35 атомных процентов каждого), что приводит к высокой конфигурационной энтропии — мере хаотичности распределения атомов в кристаллической решётке.
В реальности свойства некоторых сплавов иногда оказываются хуже, чем предсказывает теория. Пример разрыва между теоретическими ожиданиями и полученным практическим результатом — сплав кобальта, хрома, меди, железа и никеля (CoCrCuFeNi). Этот сплав привлекает исследователей и инженеров экономической доступностью компонентов, технологичностью и хорошей совместимостью элементов. Но на практике его механические свойства оказались хуже ожидаемых, что стало причиной дискуссии в научном сообществе, добавили в НИТУ МИСИС.
Учёные провели испытания на растяжение микрообразцов сплава внутри просвечивающего электронного микроскопа и наблюдали за изменениями в структуре в режиме реального времени с нанометровым разрешением. Такой приборный комплекс позволил «увидеть», где зарождается трещина и как движутся дефекты под нагрузкой. В итоге исследователи выяснили, что механические свойства сплава критически зависят от количества меди.
Увеличение содержания меди часто приводит к ухудшению механических свойств сплава
«Наблюдения дали однозначный ответ: с самого начала деформации вся активность сосредоточена исключительно внутри медных зёрен. Именно там возникает локализация напряжений, а затем и трещина, которая приводит к разрушению. Особенно важны эти данные для микро- и наноразмерных устройств. В миниатюрных элементах электроники, датчиках и микромеханических системах размеры отдельных составляющих материала могут быть сопоставимы с размерами самого изделия. В таких условиях даже одна сравнительно уязвимая область способна стать причиной разрушения всей конструкции», — объяснил доцент кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий НИТУ МИСИС Павел Логинов.
По мнению исследователей, полученные в работе данные являются рецептом для создания прочного сплава CoCrCuFeNi: чтобы подавить негативное влияние «медной фазы», можно снизить её содержание или использовать специальные технологии обработки изделий из сплава. Кроме того, можно повысить концентрацию никеля, который способствует растворению меди.
«Полученные результаты объясняют, почему увеличение содержания меди часто приводит к ухудшению механических свойств сплава. Чем больше в структуре крупных медных включений, тем выше вероятность локального разрушения под нагрузкой. Особенно важны эти данные для микро- и наноразмерных устройств. В миниатюрных элементах электроники, датчиках и микромеханических системах размеры отдельных структурных составляющих материала могут быть сопоставимы с размерами самого изделия. В таких условиях даже одна сравнительно уязвимая область способна стать причиной разрушения всей конструкции», — пояснил д.т.н. Евгений Левашов.
При этом в МИСИС отмечают, что те же самые медные включения могут сыграть и положительную роль в других материалах. В недавней работе этих же авторов, посвящённой композитам с алмазом, было показано, что наличие медных прослоек повышает вязкость разрушения. Дело в том, что мягкая медь работает как своеобразный демпфер — она гасит напряжения и «принимает удары» на себя, позволяя композиту выдерживать более высокие нагрузки. Так что даже «отрицательный» эффект можно обратить на пользу при правильном инженерном решении.
Егор Петров
