Инженеры создали твёрдое и упругое металлическое стекло
Полученное при помощи просвечивающего электронного микроскопа изображение разных уровней кристаллизованности аморфного металла
Инженеры из Университета Южной Калифорнии получили новый вид металлического стекла, отличающийся повышенной упругостью. Материал сочетает в себе, кажется, несочетаемые свойства — твёрдость, прочность и эластичность. Материал, получивший технологическое название SAM2×5–630, обладает наивысшей ударной прочностью из всех известных металлических стёкол.
Металлические стёкла, или аморфные металлы — класс металлических твердых тел с аморфной структурой. В отличие от металлов с их кристаллической структурой, таковая у аморфных металлов аналогична атомной структуре переохлаждённых расплавов.
Слева прыгает шарик из нового металлического стекла, справа — из обычной стали
Материал способен выдерживать сильные удары, при этом он не крошится и не ломается, а возвращает первоначальную форму. Потенциал его применения практически безграничен — начиная от свёрл и бронежилетов и заканчивая имплантатами для укрепления костей и защитой космических спутников.
Обычно аморфные металлы получают нагреванием до 630 °C, а затем очень быстрым (порядка градуса в секунду) охлаждением. Материал SAM2×5–630 был получен нагреванием порошкообразного состава на основе железа (Fe49.7Cr17.7Mn1.9Mo7.4W1.6B15.2C3.8Si2.4).
Уникальные свойства металла происходят из удачной находки сочетания температуры нагревания и скорости охлаждения — именно такие условия, которые испытал полученный состав, приводят к образованию локальных очагов слабо выраженной кристаллической структуры. Другие условия нагрева или охлаждения приводят к получению полностью аморфных металлов со случайным расположением атомов.
«У него почти нет внутренней структуры, и в этом он похож на стекло, но при этом встречаются регионы с кристаллизацией,- говорит Вероника Эльясон [Veronica Eliasson], ассистент-профессор из Инженерной школы им.Витерби при университете, и ведущий автор работы. — Мы пока понятия не имеем, почему небольшое количество кристаллизировавшихся участков в металлических стёклах приводят к таким сильным различиям в реакциях на удар».
Динамический предел упругости Гюгонио (максимальное воздействие, которое материал выдерживает без необратимой деформации), был определён для SAM2×5–630 в районе 12 ГПа. У нержавеющей стали этот показатель равен 0,2 ГПа, у карбида вольфрама (используемого для создания твёрдых инструментов и сердечников бронебойных пуль) — 4,5 ГПа, у алмазов — до 60 ГПа.
Изучение аморфных металлов началось в 1960 году в Калифорнийском технологическом институте — группой учёных было получено первое металлическое стекло Au75Si25. С тех пор было получено множество подобных материалов с интересными свойствами, однако пока область их практического применения нельзя назвать широкой из-за их высокой стоимости.
Например, полученный недавно в Японии Ti40Cu36Pd14Zr10 — неканцерогенный, в три раза прочнее титана, мало изнашивается, при трении не образует порошок, а по модулю продольной упругости практически совпадает с человеческими костями — в потенциале его можно будет использовать как прекрасную искусственную замену суставов.
