Устойчивые к напряжениям нанокристаллические материалы

Нанокристаллическим защитным покрытиям для газовых турбин и реактивных двигателей уделяется много внимания благодаря их уникальным механическим свойствам, включающим устойчивость к напряжениям. Однако, несмотря на обнадеживающие результаты компьютерного моделирования, экспериментально установлено, что даже крошечные размеры нанокристаллов полностью не гарантируют отсутствие в них дефектов.

Напряжение, возникающее в кристалле под воздействием давления, вызывает пластическую деформацию его формы и размера. Вероятность пластической деформации растет в присутствии дислокаций, представляющих собой линейные нарушения в правильной кристаллической решетке. Поликристаллические материалы состоят из мельчайших монокристаллов, называемых зернами, и процессы, протекающие на границах между этими зернами, зачастую определяют свойства материала. В том случае, когда размеры зерен измеряются нанометрами, речь идет о нанокристаллических материалах. На основании компьютерного моделирования и исследований в электронном микроскопе долгое время предполагалось, что порожденная дислокациями пластическая деформация не активна при размерах зерен, составляющих 10 – 30нм. Разрешению вопроса о влиянии размеров зерен и давления на пластическую деформацию нанокристаллических металлов помог новый метод рентгеновской дифракции в ячейке типа радиальной алмазной наковальни.

Были исследованы текстуры – области преимущественной ориентации нанокристаллов – подвергнутого давлению поликристаллического никеля с размерами зерен в 500, 20 и 3нм. Поликристаллический никель имеет наиболее устойчивую к давлению кубическую гранецентрированную решетку. Тем не менее, исследователи обнаружили, что нанокристаллы никеля под воздействием высокого давления продолжали испытывать связанную с дислокациями пластическую деформацию даже тогда, когда их размеры составляли всего три нанометра. Правда, в этом случае приложенное давление, вызвавшее деформацию, было гигантским и превышало нормальное атмосферное давление в 183 тысячи раз. Этот экспериментальный факт показывает, что под воздействием давления дислокации могут образовываться даже в самых идеальных нанокристаллах.

В дальнейшем ученые, используя предложенный ими новый тип дифракционной ячейки, предполагают ответить и на другие фундаментальные вопросы физики микрочастиц в нанокристаллических металлах и не металлах.