Kiedy sprawdzone reguły tracą moc
Od 1951 roku podstawą projektowania wytrzymałych metali było prawo Halla-Petcha. Jego logika była prosta i przekonująca: im mniejsze kryształy (ziarna) wewnątrz kawałka metalu, tym materiał jest twardszy. Drobne ziarna tworzą więcej granic, które działają jak przeszkody dla mikroskopijnych defektów, tzw. dyslokacji, odpowiadających za odkształcenia. Ta zasada była stosowana przy tworzeniu wszystkiego, od elementów konstrukcyjnych samolotów po płyty pancerne. Mostafa Hassani z zespołem postanowili sprawdzić, czy ta reguła nadal obowiązuje, gdy metal jest poddany naprawdę ekstremalnym obciążeniom. W tym celu członkowie zespołu wykorzystali technikę laserowego przyspieszania mikroskopijnych pocisków, które uderzały w próbki z prędkościami przekraczającymi 1200 km/h. To wartości, w których kończą się znane nam, codzienne doświadczenia z materiałami.
Czytaj też: Pokonali ostatni bastion elektronów. Fizycy zmierzyli je w cieczy
Chcieliśmy przetestować granice tej zasady i sprawdzić, czy wzmocnienie granic ziaren nadal obowiązuje, gdy metale są poddawane naprawdę ekstremalnym szybkościom deformacji – przyznaje Hassani
Laura Wu przygotowała serię próbek miedzi o zróżnicowanej wielkości ziaren, od 1 do 100 mikrometrów. Według klasycznej wiedzy, te z drobniejszą strukturą powinny wykazać się największą twardością. Wyniki eksperymentu były jednak zupełnie przeciwne. Okazało się, że próbki z większymi ziarnami były bardziej odporne na uderzenia: wgniecenia po kolizji były płytsze, a materiał absorbował więcej energii kinetycznej. Badacze, początkowo nie dowierzając, wielokrotnie powtarzali pomiary. Za każdym razem rezultat był taki sam. Przy naddźwiękowych prędkościach deformacji klasyczna zasada po prostu przestawała działać, a nawet się odwracała.
Nowy mechanizm, nowe zasady gry
Wyjaśnienie tego zjawiska leży w zachowaniu samych dyslokacji. W standardowych warunkach faktycznie utykają one na granicach ziaren. Gdy jednak metal jest deformowany z ogromną prędkością, dyslokacje nabierają takiego rozpędu, że zaczynają wchodzić w interakcję z drgającymi atomami sieci krystalicznej. Powstaje wtedy efekt nazywany oporem dyslokacyjno-fononowym, który może znacząco wzmacniać metal. Problem w tym, iż w bardzo drobnoziarnistym materiale dyslokacje nie mają wystarczająco długiego „rozbiegu”, by osiągnąć prędkość konieczną do wytworzenia tego korzystnego zjawiska. W rezultacie, w ekstremalnych warunkach, metal o mniejszych ziarnach staje się paradoksalnie słabszy od swojego gruboziarnistego odpowiednika. Wstępne testy sugerują, że zjawisko to nie jest specyficzne tylko dla miedzi i może dotyczyć także innych metali i stopów.
Czytaj też: Teselacja matematyczna sposobem na złożone problemy fizyki. Naukowcy nie mieli pojęcia o ich potencjale
Odkrycie zespołu z Cornell ma potencjał, by zmienić sposób myślenia w kilku kluczowych dziedzinach. Projektowanie lekkich, a przy tym wytrzymałych osłon balistycznych może wymagać ponownego przemyślenia optymalnej struktury materiału. Podobnie może być w przypadku osłon statków kosmicznych, które muszą chronić przed uderzeniami kosmicznych śmieci poruszających się z hiperprędkościami. Nowa wiedza może też wpłynąć na techniki wytwarzania przyrostowego (druku 3D metali), gdzie kontrolę nad mikrostrukturą materiału ma się w dużej mierze we własnych rękach.
Dla mnie ekscytująca jest zarówno fundamentalne odkrycie, jak i potencjalne zastosowania. Teraz, gdy wiemy, że trend rozmiaru ziarna odwraca się przy wysokiej szybkości odkształcenia, możemy to wykorzystać do budowania i ulepszania rzeczy, które wytrzymują silne uderzenia – podkreśla Wu
Oczywiście prawo Halla-Petcha wciąż świetnie opisuje zachowanie metali w zdecydowanej większości sytuacji, jednak w obliczu ekstremalnych warunków fizyka potrafi pisać własne, zaskakujące scenariusze.