rozwiń ›

Odkrycie, które przeczy podręcznikom

Zespół inżynierów z Northwestern University odkrył, że jeśli czysty metal zostanie podgrzany, a następnie poddany bardzo szybkiemu odkształceniu, jego wytrzymałość rośnie zamiast maleć. Metal zaczyna silniej opierać się deformacji.

Reklama

To zaskakujące zjawisko podważa jedno z najbardziej podstawowych założeń metalurgii i może mieć duże znaczenie dla projektowania materiałów pracujących w skrajnych warunkach, na przykład w lotach hipersonicznych, technologiach kosmicznych czy zaawansowanej produkcji.

Co się dzieje przy ekstremalnych prędkościach?

W normalnych warunkach wyższa temperatura ułatwia ruch atomów w metalu. Dzięki temu materiał staje się bardziej plastyczny i łatwiej się odkształca. Problem w tym, że przy bardzo dużych prędkościach odkształcenia, zachodzących w milionowych lub miliardowych częściach sekundy, fizyka materiału zaczyna działać inaczej.

Aby zbadać takie warunki, naukowcy wykorzystali nietypową metodę. Strzelali w próbki metalu mikroskopijnymi, bardzo twardymi cząstkami poruszającymi się z prędkością setek metrów na sekundę. Uderzenia te powodowały ekstremalnie szybkie rozciąganie materiału, znacznie szybsze niż w tradycyjnych testach laboratoryjnych. W praktyce oznacza to, że w czasie kilku sekund można było przeprowadzić setki milionów eksperymentów.

Czyste metale kontra stopy

Reklama

Badacze testowali nikiel, tytan, złoto i miedź o różnym stopniu czystości, od bardzo czystych po lekko stopowe, w temperaturach od pokojowej do około 155°C. Wyniki okazały się jednoznaczne: czyste metale wraz ze wzrostem temperatury stawały się twardsze i bardziej wytrzymałe, metale stopowe zachowywały się klasycznie — miękły pod wpływem nagrzewania.

To szczególnie interesujące, ponieważ w praktyce niemal wszystkie metale używane w technice są stopami. Dodawanie domieszek od lat jest podstawową metodą zwiększania ich wytrzymałości.

Dlaczego gorący metal może być mocniejszy?

Za nietypowe zachowanie odpowiadają drgania atomów. W czystym metalu, przy bardzo szybkim uderzeniu, przemieszczająca się cząstka napotyka opór drgających atomów. Wraz ze wzrostem temperatury drgania te stają się silniejsze. Część atomów w danym momencie porusza się w kierunku przeciwnym do deformacji, co utrudnia zmianę kształtu materiału.

W stopach sytuacja wygląda inaczej. Obecne w nich domieszki już wcześniej działają jak przeszkody dla ruchu atomów. Podgrzewanie dostarcza dodatkowej energii, która pomaga „ominąć” te bariery, dlatego materiał mięknie, zgodnie z klasyczą regułą. Co ciekawe, dodanie zaledwie 0,3% pierwiastków stopowych wystarczyło, aby całkowicie odwrócić nietypowe zachowanie czystego metalu.

Nowy parametr projektowania materiałów

Odkrycie może mieć znaczenie dla technologii pracujących w ekstremalnych warunkach, gdzie materiały doświadczają jednocześnie wysokich temperatur i bardzo szybkich obciążeń. Dotyczy to m.in.: pojazdów hipersonicznych, elementów narażonych na erozję cząstkami lub piaskowanie, osłon balistycznych, konstrukcji kosmicznych.

W przestrzeni kosmicznej mikrometeoryty poruszają się z ogromnymi prędkościami i regularnie uderzają w satelity. W przyszłości możliwe może być projektowanie osłon z metali o odpowiedniej czystości, które po podgrzaniu stają się bardziej odporne na takie uderzenia. Naukowcy sugerują nawet koncepcję „aktywnych” systemów, które w razie zagrożenia zwiększałyby temperaturę elementu konstrukcyjnego, aby chwilowo podnieść jego wytrzymałość.

Gdy ekstremalne warunki zmieniają reguły gry

Najważniejszy wniosek z badań jest prosty: materiały w skrajnych warunkach mogą zachowywać się zupełnie inaczej, niż przewidują klasyczne modele. Czystość metalu, dotąd rzadko traktowana jako kluczowy parametr konstrukcyjny, może w przyszłości stać się jednym z głównych narzędzi projektowania materiałów dla technologii jutra. A to przypomina, że nawet dobrze znane prawa fizyki i inżynierii potrafią zaskoczyć, gdy przeniesiemy je w naprawdę ekstremalne środowisko.

Źródło: Northwestern University