Найден способ победить хрупкость металлов

Ученые из Университета Макгилла и Федеральной политехнической школы Лозанны в Швейцарии изучили хрупкость металлов и выяснили, как на это важнейшее свойство металлов влияет водород.

Водород, как самый легкий элемент, легко растворяется и мигрирует внутри металлов, делая их более хрупкими и склонными к поломкам. Это явление было открыто в 1875 году, и с тех пор водородное охрупчивание (переход материала от вязкого состояния к хрупкому) является постоянной проблемой для проектирования конструкций в различных отраслях промышленности: от ручных инструментов до самолетов и ядерных реакторов. Несмотря на десятилетия исследований ученые все еще не до конца понимают физику, лежащую в основе водородного охрупчивания. Из-за этого трудно создать достоверную модель, предсказывающую поведение конструкции в тех или иных условиях или спустя много лет. В результате промышленные дизайнеры вынуждены прибегать к дорогостоящему и опасному методу проб и ошибок.

Группа ученых впервые смогла тщательно изучить поведение водорода в металле на наноуровне. Благодаря этому удалось создать новую модель, впервые способную точно предсказать появление «водородной» хрупкости.

Новая модель уже успешно применена для прогнозирования поведения ферритной стали и полностью согласуется с результатами экспериментов с реальными образцами. Таким образом, металлурги получили ценный инструмент для разработки следующего поколения прочных и долговечных конструкционных материалов.

В нормальных условиях металлы могут претерпевать существенные пластические деформации при воздействии силы. Эта пластичность связана с присутствием нано- и микротрещин, которые создают места движения атомов (дислокации) и снимают напряжение в металле.

Дислокации можно рассматривать как «транспортные средства», а нано- и микротрещины - как «транспортные узлы» пластической деформации. Таким образом полезные свойства, такие как пластичность и вязкость, основаны на работе этих структурных особенностей металлов. К сожалению, эти нано- и микротрещины также привлекают атомы водорода, которые создают своего рода «пробки» и блокируют движение атомов. В конечном итоге это приводит к разрушению материала – металл не гнется, а ломается.