Хорошо известное свойство – усталость металла, т.е. частое сгибание в одном и том же месте металла, которое приводит к постепенному ослаблению материала и в конечном итоге его разрушению, может привести к серьезному повреждению металлических компонентов, подверженных повторным механическим воздействиям. Но теперь исследователи из Массачусетского технологического института, Университета Карнеги-Меллона, Транспортного Университета Сианя обнаружили, что при определенных условиях повторяющееся небольшое растяжение наноразмерных металлических деталей в действительности может укрепить материал, устранив дефекты в кристаллической структуре.

О новом открытии сообщается на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences. Авторы назвали новый процесс «циклическим восстановлением» (“cyclic healing”).

> «В то время как усталость металла была изучена на крупных образцах материалов, на атомном масштабе она изучена не была,» – говорит Дао, главный научный сотрудник Отдела Массачусетского технологического института материаловедения и инженерии. Чтобы заполнить этот пробел команда решила изучить усталость металла с помощью трансмиссионного электронного микроскопа и наблюдать изменения атомного масштаба в дефектах.

Новый процесс «циклического» восстановления, который укрепляет наноразмерные структуры путем устранения дефектов. Video: Melanie Gonick/MIT

Команда в первую очередь изучала, что происходит в небольших монокристаллических образцах алюминия. Целью их изучения было уменьшение или устранение дефектов микроструктуры – таких, как дефекты в кристаллической решетке, известные как «дислокации» – через повторные циклические деформации с небольшой амплитудой, а не на основе термического отжига.

При небольшом и неоднократном «встряхивании» дислокаций исследователи смогли получить материал почти без них; следовательно, прочность материала значительно увеличилась. Это явление противоречит здравому смыслу, поскольку противоположно тому, что наблюдается в гораздо больших по объему металлических кристаллах, где повторное растяжение часто увеличивает плотность дефектов и трещин.

Этот процесс может помочь в производстве прочных частей для нанотехнологических приложений, таких как механические наносенсоры, наноэлектромеханических системы и нанороботы.

> «Эта работа показывает, как циклическая деформация, при определенных контролируемых условиях, может привести к удалению дефектов из кристаллов небольшого объема,» – сказали исследователи. «Эти механизмы циклического деформирования могут очень отличаться от тех, которые видны в больших объемах материалов. Эта работа также предлагает новые возможности для устранения дефектов кристаллов без необходимости термической обработки или изменения формы.»

Юлия Грир, профессор материаловедения, механики и медицинской техники в Калифорнийском технологическом институте, которая не была соавтором этой работы, сказала, что явление удаления дефектов с помощью деформации уже было известно и до этого.

«Ничего нового в том, что авторы показали, что путем воздействия циклический деформации, которая пластически не изменяет форму, исключаются недостатки металла. Таким образом, в конце концов, вы получаете металл, который не содержит практически никаких дефектов и из-за этого он гораздо более прочный».