Дефекты могут делать металл прочнее

Учёные из Института высокопроизводительных вычислений A*STAR (Сингапур) предприняли численное моделирование, объясняющее связь между дефектами металлов и их характеристиками. Работа показала, что дефекты могут увеличивать прочность металла, не влияя на его ковкость, передает «Компьютерра–Онлайн».

Чем твёрже металл, тем хуже его ковкость. Это не касается только особой формы меди, известной как двойниковая. Ее кристаллическая структура представляет собой многочисленные близко расположенные разрывы в обычно регулярном атомном порядке. Эти дефекты увеличивают прочность металла, не влияя на его ковкость, что делает такой материал привлекательным для получения тонкоплёночных покрытий и полупроводникового производства.

Сингапурские ученые решили объяснить взаимосвязь между свойствами дефектов и характеристиками обладающих ими металлов. В 2009 году они обнаружили, что прочность двойниковой меди достигает своего максимума, когда размер дефектов в её кристаллической структуре составляет примерно 15 нм. Когда же дефекты были больше или меньше, прочность меди уменьшалась. Это наблюдение противоречило классической модели, утверждающей, что прочность металла непрерывно возрастает с уменьшением размеров дефектов.

Научная группа под руководством Чжаосюань Ву провела крупномасштабное моделирование молекулярно-динамической структуры, чтобы понять, каким образом кристалл двойниковой меди, состоящий более чем из 60 миллионов атомов, деформируется под давлением. Оказалось, что деформация проходит при помощи трёх типов мобильных дислокаций, присутствующих в кристаллической решетке двойниковой меди. Самый существенный вклад вносила только одна из трёх дислокаций, называемая 60-градусной, результат взаимодействия которой с дефектами зависит от размера самих дефектов.

60-градусные дислокации способны проходить сквозь дефекты небольшого размера, создавая многочисленные новые высокомобильные дислокации, размягчающие медь. С другой стороны, когда двигающаяся дислокация натыкается на крупные дефекты, образуется трёхмерная дислокационная сеть, которая служит надёжным барьером, мешающим дальнейшему дислокационному движению. Это дополнительно упрочняет металл. Моделирование предсказало критический размер дефектов, разделяющий эти два вида сдвигов 60-градусной дислокации. Он оказался равен 13 нм, что очень близко к экспериментально наблюдаемому значению в 15 нм.

Кроме того, работа показала, что существует много разных деформационных механизмов, действующих в наноструктурированных материалах, подобных двойниковой меди. Понимание каждого из них позволит подстраивать свойства материала в желаемую сторону, пишет ResearchSEA.