Исследователи из КНР и США выяснили, что уменьшение размера зерен в никеле ниже трех нанометров существенно повышает его прочность при высоких давлениях. Результаты работы опубликованы в журнале Nature.

Большинство металлов вокруг нас — монеты, столовое серебро, даже стальные балки, поддерживающие здания и эстакады, — состоят из крошечных металлических зерен. Под достаточно мощным микроскопом можно увидеть отдельные кристаллы в этих материалах. Ученым давно известно, что металлы становятся прочнее из-за уменьшения размера зерен в металле — до определенного момента. Однако до сих пор считалось, что если зерно меньше 10 нанометров в диаметре, то весь материал теряет в прочности, так как зерна начинают скользить мимо друг друга. Это называется соотношением Холла — Петча.

Однако в новом исследовании ученые из Национальная лаборатория имени Лоуренса в Беркли, Университета Юты, Чунцинского и Цзилинского университетов открыли новое понимание физики взаимодействия металлических зерен между собой. Эта новая работа позволит упрочить существующие конструкционные материалы без допирования и какой-либо другой обработки.

Исследователи протестировали образцы никеля — металла, у которого имеется широкое распределение зерен по размерам, — вплоть до трех нанометров. Ученые помещали образцы с различными размерами зерен под алмазную наковальню и создавали на них высокое давление. Затем авторы использовали рентгеновскую дифракцию для наблюдения за тем, что происходит в каждом образце на масштабе в несколько нанометров.

Оказалось, что прочность материала растет вплоть до самого маленького размера зерна. Образец с зернами в три нанометра выдержал силу 4,2 гигапаскаля перед тем, как стал деформироваться. Это в десять раз прочнее никеля с применяемым в современной промышленности размером зерен.

По словам авторов, при этом соотношение Холла — Петча не нарушается. Дело в том, что изменяется способ взаимодействия зерен между собой. Высокое давление, вероятно, позволяет им преодолевать эффекты скольжения. При подавлении зернограничного скольжения при размерах зерен ниже 20 нм исследователи наблюдали новый механизм атомно-масштабной деформации, который приводил к экстремальному упрочнению в тончайших зернистых образцах.

Результаты работы показывают, что давление является одним из способов подавления деформации на границах зерен. А значит, может служить упрочняющим фактором для многих металлических материалов. Одно из достижений этого исследования, по словам авторов, заключается в методе измерения прочности материалов на наноуровне. Ранее никому не удавалось сделать такое.