Цивилизация
Российские ученые исследовали, как будут двигаться линейные дефекты кристаллической решетки меди (дислокации) если добавить в нее атомы никеля при твердорастворном упрочнении металла. Оказалось, что они могут как уменьшать скорость движения дислокаций, так и увеличивать. Расширение знаний об этом позволит успешнее применять метод твердорастворного упрочнения металлов. Работа опубликована в журнале International Journal of Plasticity. Исследование поддержано Президентской программной исследовательских проектов Российского научного фонда (РНФ).
Сегодня известны разные способы повышения прочности металлов. Одним из них является твердорастворное упрочнение. Суть этого метода заключается во внедрении в металл атомов другого металла. Они препятствуют движению дефектов и неоднородностей кристаллической решетки металла, благодаря чему он становится крепче.
Дислокации представляют собой линейные дефекты решетки материала. Самый простой пример — это прямолинейная краевая дислокация. В кристаллическую решетку вклинивается дополнительная атомная полуплоскость (лежит по одну сторону от прямой), создавая под собой небольшую цилиндрическую полость. Если производить сдвиг материала, то произойдет движение этой атомной полуплоскости. В конце концов она выйдет на поверхность материала, что приведет к необратимой пластической деформации. Примесные атомы, которые добавляют в основной металл, влияют на скорость движения дислокаций. До недавнего времени в науке считалось, что они могут только замедлять перемещения дислокаций.
Российские ученые из лаборатории наномеханики Института механики Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова обнаружили, что добавляемые атомы могут не только уменьшать, но и увеличивать скорость движения дислокаций. В исследовании использовались сплавы твердого раствора, где основным металлом была медь, а добавленным — никель. Авторы работы выбрали их из-за того, что никель имеет полную растворимость в меди, позволяя рассмотреть широкий диапазон растворимости без изменения структуры сплава. Ученые провели компьютерное моделирование движения дислокации при температурах сплава от 100 К до 1100 К (от -173,15 до 827 °C) и концентрации никеля в диапазоне от 0 до 30% от всех атомов в веществе.
Ученые обнаружили два варианта, как атомы никеля влияют на скорость краевой дислокации. Все зависит от величины приложенного сдвигового напряжения. Когда оно не превышает критическое, атомы никеля действуют как барьеры, снижающие скорость движения дислокаций. Однако когда приложенное напряжение начинает превышать критическое, они, наоборот, увеличивают их скорость. В этом режиме дислокации движутся со скоростями, близкими к скорости поперечных звуковых волн. При этом они, по-видимому, перестают взаимодействовать с добавленными атомами. Ученые показали, что с ростом концентрации никеля в меди увеличивается скорость распространения звуковых волн, а она, в свою очередь, вызывает ускорение движения дислокаций при значении сдвигового напряжения выше критического.
«В дальнейшем мы собираемся рассмотреть подвижность дислокаций в других сплавах твердых растворов меди с высокой растворимостью. Так мы сможем изучить влияние других факторов на это явление», — прокомментировал руководитель проекта Илья Брюханов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института механики Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова.
