Материал представляет собой аморфный стальной сплав, многообещающий подкласс стальных сплавов, состоящий из расположения атомов, которые отклоняются от классической кристаллической структуры стали, в которой атомы железа занимают определенные места.Исследователи все чаще обращаются к аморфной стали как к источнику новых материалов, доступных в производстве, невероятно твердых, но в то же время не хрупких.
Исследователи считают, что их работа над стальным сплавом SAM2X5-630 — первая попытка исследовать реакцию аморфной стали на ударную нагрузку.По словам исследователей, SAM2X5-630 имеет самый высокий зарегистрированный предел упругости для любого стального сплава — по сути, самый высокий порог, при котором материал может выдерживать удар без постоянной деформации. Сплав выдерживает давление и напряжение до 12,5 гигапаскалей или около 125 000 атмосфер, не подвергаясь остаточным деформациям.
Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего, Университета Южной Калифорнии и Калифорнийского технологического института описывают изготовление и испытания материала в недавнем выпуске журнала Nature Scientific Reports.«Поскольку эти материалы разработаны, чтобы выдерживать экстремальные условия, вы можете успешно обрабатывать их в экстремальных условиях», — сказала Оливия Грейв, профессор машиностроения в Школе инженерии Джейкобса в Калифорнийском университете в Сан-Диего, которая руководила разработкой и производством. Вероника Элиассон, доцент Университета Южной Калифорнии, возглавила усилия по тестированию.Чтобы получить твердые материалы, из которых состоит сплав, Грейв и ее команда смешали металлические порошки в графитовой форме.
Затем порошки подвергали воздействию давления 100 мегапаскалей, или 1000 атмосфер, и подвергали воздействию мощного тока в 10 000 ампер при температуре 1165 ° F (630 ° C) во время процесса, называемого искровым плазменным спеканием.По словам Грейва, технология искрового плазменного спекания позволяет значительно сэкономить время и энергию. «Вы можете производить материалы, которые обычно занимают часы в промышленных условиях, всего за несколько минут», — сказала она.В процессе были созданы небольшие кристаллические области размером всего несколько нанометров с намеками на структуру, которые, по мнению исследователей, являются ключевыми для способности материала выдерживать нагрузки. Это открытие является многообещающим, поскольку оно показывает, что свойства этих типов металлических стекол можно точно настроить, чтобы преодолеть такие недостатки, как хрупкость, которые не позволили им стать коммерчески доступными в больших масштабах, сказал Элиассон.
Исследователи из USC проверили, как сплав реагирует на удары, не подвергаясь остаточным деформациям, ударив по образцам материала медными пластинами, выпущенными из газового пистолета со скоростью от 500 до 1300 метров в секунду. Материал действительно деформировался при ударе, но не навсегда.
Предел упругости Гюгонио (максимальный удар, который материал может выдержать без необратимой деформации) для куска SAM2X5-630 толщиной 1,5–1,8 мм был измерен на уровне 11,76 ± 1,26 гигапаскалей.Для сравнения: нержавеющая сталь имеет предел упругости 0,2 гигапаскалей, а карбид вольфрама (высокопрочная керамика, используемая в военной броне) — 4,5 гигапаскали.
Это не означает, что SAM2X5-630 имеет самый высокий предел упругости из всех известных материалов; алмазы достигают колоссальных 60 гигапаскалей — они просто непрактичны для многих реальных приложений. «Тот факт, что новые материалы так хорошо показали себя при ударной нагрузке, очень обнадеживает и должен открыть множество возможностей для будущих исследований», — сказал Элиассон.Основное внимание в будущих исследованиях этих сплавов будет уделяться увеличению веса материалов, чтобы сделать их более устойчивыми к ударам.