Международная группа исследователей под руководством Оксфордского университета и Калифорнийского университета в Беркли обнаружила, что два экспериментальных ниобий-титановых сплава сохраняют прочность при экстремально низких температурах в -253°C. Результаты, опубликованные в журнале Nature 14 октября 2026 года, открывают новые принципы проектирования материалов для криогенных сред.
Механизм устойчивости к хрупкому разрушению при 20 кельвинах
Большинство металлов с объемно-центрированной кубической (ОЦК) структурой, таких как вольфрам, железо и хром, при экстремальном охлаждении становятся хрупкими. В обычных условиях деформация этих металлов обеспечивается движением линейных дефектов кристаллической решетки — дислокаций. Однако при температурах около 20 кельвинов (-253°C) эти дислокации теряют подвижность, что делает материал склонным к образованию трещин.
Исследователи, проводившие эксперименты на инструменте Engin-X в источнике нейтронов и мюонов ISIS Neutron and Muon Source в Оксфордшире, обнаружили, что два новых ниобий-титановых сплава используют иную стратегию деформации. Вместо того чтобы разрушаться, сплавы переключаются на механизм наноразмерного двойникования — перестройки областей кристалла в зеркальные ориентации, что сопровождается локальной структурной трансформацией.
Роль дефектов в создании пластичности
Когда новые структурные образования достигают границ между соседними кристаллами, возникают точки концентрации напряжения, которые провоцируют появление новых дислокаций. Эти свежие дефекты позволяют материалу продолжать деформироваться и поглощать энергию вокруг трещины, предотвращая катастрофический разлом.
Этот класс материалов будет полезен для компонентов, испытывающих экстремально высокие и низкие температуры в одном приложении.
Профессор Дун Лю, факультет инженерных наук Оксфордского университета
По словам ведущего автора исследования доктора Дэвида Кука, результаты заставляют пересмотреть представления о переходе к хрупкости. Ранее внимание ученых было сосредоточено на подвижности существующих дислокаций, но сейчас выяснилось, что способность материала генерировать новые дефекты на интерфейсах может оказаться критическим фактором для поддержания пластичности.
Перспективы применения в аэрокосмической и энергетической отраслях
Исследование, опубликованное под названием «Конкурирующие механизмы упрочняют ОЦК бинарные и среднеэнтропийные сплавы при 20 К», было поддержано Министерством энергетики США. Ученые отмечают, что использование этих принципов позволит проектировать металлы, способные работать в условиях глубокого космоса или экстремальных энергетических систем.
Профессор Пунит Кумар, присоединившийся к Наньянскому технологическому университету (NTU) в сентябре 2025 года, ранее занимавшийся этим проектом в группе профессора Роберта Ричи в Беркли, подчеркивает, что следующей задачей является разработка менее дорогостоящих сплавов с аналогичными свойствами. В планах исследователя — интегрировать процессы проектирования, 3D-печати и квалификационного тестирования для ускорения цикла создания материалов, устойчивых к повреждениям.
Работа базируется на более ранних исследованиях, включая публикацию 2024 года в журнале Science, посвященную влиянию полос излома (kink bands) на трещиностойкость сплавов при высоких температурах. Сейчас ученые стремятся объединить эти знания для создания материалов, которые остаются надежными в любых температурных режимах.
Продолжение темы
