Новая конструкция для космических щитов: под воздействием металлы становятся прочнее при нагревании

Кредит: Pixabay/CC0 Общественный домен

Но ученые в Массачусетском технологическом институте обнаружили, что, когда металл поражен объектом, движущимся на супер высокой скорости, происходит обратное: чем жарче металл, тем сильнее.В тех условиях, которые оказывают чрезвычайное нагрузку на металл, медь может быть такой же прочной, как сталь.

Новое открытие может привести к новым подходам к проектированию материалов для экстремальных сред, таких как щиты, которые защищают космический корабль или гиперзвуковой самолет или оборудование для высокоскоростных производственных процессов.

Результаты описаны в статье, появившейся в журнале Nature, Яном Доудинг, аспиранта -аспиранта MIT, и Кристофером Шуха, бывшим руководителем Департамента материаловедения и инженерии MIT, ныне декан инженерии в Северо -Западном университете и приглашенного профессора в MIT.

Новые выводы, пишут авторы, «противоречит интуитивнологии и расходится с десятилетиями исследований в менее экстремальных условиях».Неожиданные результаты могут повлиять на различные применения, потому что крайние скорости, связанные с этими воздействиями, обычно происходят при воздействии метеорита на космический корабль на орбите и в высокоскоростных операциях обработки, используемых при производстве, песочной обработке и некоторых процессах производства аддитивного производства (3D-печать).

Эксперименты, которые исследователи использовали, чтобы найти этот эффект, включали в себя стрельбу крошечных частиц сапфира, всего миллионы метра по всему, в плоских листах металла.Пролины лазерными лучами, частицы достигли высоких скоростей, по порядку нескольких сотен метров в секунду.

В то время как другие исследователи иногда проводили эксперименты с одинаковыми высокими скоростями, они, как правило, использовали более крупные воздействия, в масштабе сантиметров или больше.Поскольку в этих больших воздействиях преобладали эффекты шока воздействия, не было никакого способа отделить механические и тепловые эффекты.

Крошечные частицы в новом исследовании не создают значительное давление, когда они попадают в цель.Но в MIT потребовалось десятилетие исследований, чтобы разработать методы продвижения таких микроскопических частиц на таких высоких скоростях.«Мы воспользовались этим»,-говорит Шух, наряду с другими новыми методами наблюдения за самого скоростного воздействия.

Команда использовала чрезвычайно скоростные камеры, чтобы наблюдать за частицами, когда они входят, и когда они улетают »,-говорит он.Поскольку частицы отскакивают от поверхности, разница между входящими и исходящими скоростями «говорит вам, сколько энергии было отложено» в цель, которая является индикатором прочности поверхности.

Крошечные частицы, которые они использовали, были изготовлены из глинозем или сапфира и «очень твердые», говорит Доудинг.При от 10 до 20 микрон (миллионы метра) они находятся от одной десятой до одной пятой толщины человеческих волос.Когда запуска запуска за этими частицами поражается лазерным лучом, часть материала испаряется, создавая струю паров, которая продвигает частицу в противоположном направлении.

Исследователи застрелили частицы в образцах меди, титана и золота, и они ожидают, что их результаты также должны применяться и к другим металлам.Они говорят, что их данные предоставляют первые прямые экспериментальные доказательства этого аномального теплового эффекта повышенной прочности с большей теплотой, хотя ранее сообщалось о намеках на такой эффект.

Согласно анализу исследователей, удивительный эффект, по -видимому, является результатом того, как упорядоченные массивы атомов составляют кристаллическую структуру металлов в разных условиях.

Они показывают, что существуют три отдельных эффекта, регулирующих то, как металл деформируется при стрессе, и, хотя два из них следуют прогнозируемой траектории увеличения деформации при более высоких температурах, это третий эффект, называемый укреплением сопротивления, который меняет его эффект, когда скорость деформации пересекаетсяопределенный порог.

Помимо этой кроссоверной точки, более высокая температура увеличивает активность фононов - утечки звука или тепла - с помощью материала, и эти фононы взаимодействуют с дислокациями в кристаллической решетке таким образом, что ограничивает их способность скользить и деформироваться.По словам Доудинга, эффект увеличивается с повышенной скоростью воздействия и температуры, так что «чем быстрее вы идете, тем меньше дислокации способны реагировать».

Конечно, в какой -то момент повышенная температура начнет растопить металл, и в этот момент эффект снова поверновится и приведет к смягчению.«По словам Доудинга, будет ограничен», - но мы не знаем, что это такое ».

ПоНапример, металлы, которые обычно могут быть намного слабее, но они дешевле или проще в обработке, могут быть полезны в ситуациях, когда никто бы не подумал использовать их раньше.

Экстремальные условия, изученные исследователи, не ограничиваются методами космического корабля или экстремального производства.«Если вы летите на вертолете в песчаной бури, многие из этих частиц песка достигнут высоких скоростей, когда они попадают в лезвия», - говорит Доудинг, и в условиях пустыни они могут достигать высоких температур, когда эти эффекты закачки.

Методы, которые исследователи использовали для раскрытия этого явления, могут быть применены к множеству других материалов и ситуаций, включая другие металлы и сплавы.По словам они, проектирование материалов, которые будут использоваться в экстремальных условиях, просто экстраполируя из известных свойств в менее экстремальных условиях, может привести к серьезному ошибке о том, как материалы будут вести себя при экстремальных стрессах.

Больше информации: Кристофер Шух, металлы усиливаются с повышением температуры при экстремальных скоростях деформации, природе (2024).Doi: 10.1038/s41586-024-07420-1.www.nature.com/articles/s41586-024-07420-1 🔗