Сплави на основі ніобію зберегли в’язкість за температури 20 K

Дослідники встановили, що два об’ємноцентровані кубічні сплави на основі ніобію — Nb45Ta25Ti15Hf15 та Nb70Ti30 — зберігають високу тріщиностійкість і пластичність за температури близько 20 K. Як повідомляє Nature, це відбувається завдяки поєднанню двійникування, утворення ω-фази та зародження дислокацій біля меж зерен, що стримує передчасне крихке руйнування.

Механізми деформації за наднизької температури

Для багатьох сплавів із об’ємноцентрованою кубічною структурою зниження температури ускладнює рух гвинтових дислокацій. Це різко підвищує міцність, обмежує пластичну деформацію поблизу тріщин і може призвести до крихкого руйнування. Автори роботи провели випробування на розтягнення та визначили тріщиностійкість зразків за допомогою J-інтеграла, а також дослідили структуру матеріалів методами електронної мікроскопії.

На ранній стадії деформації в обох сплавах виникали нанодвійники системи {112}⟨111⟩, пов’язані з локальним утворенням ω-фази. Коли двійники досягали меж зерен та інших інтерфейсів, створювалися концентрації напружень, достатні для зародження дислокацій. Надалі ці дислокації забезпечували пластичну течію матеріалу. Дослідники зафіксували такий механізм і в зонах поблизу тріщин.

Показники тріщиностійкості

Для Nb45Ta25Ti15Hf15 межа плинності за 20 K становила приблизно 938,9 МПа, що майже відповідає показнику за 77 K — близько 936,6 МПа. Тріщиностійкість на початку росту тріщини оцінили приблизно у 96,5 МПа√м, а за сталого росту тріщини — у 118 МПа√м.

Сплав Nb70Ti30 продемонстрував тріщиностійкість на початку росту тріщини 170 МПа√м за 20 K. Це лише незначно нижче за 188 МПа√м за 77 K та 219 МПа√м за кімнатної температури. За одновісного розтягнення руйнування зразків було повністю в’язким і відбувалося через злиття мікропорожнин. Водночас у зразках із тріщиною науковці спостерігали поєднання міжзеренного та в’язкого руйнування через складний напружений стан біля її вершини.