Сверхзвук против науки. 70 летний закон физики не выдержал проверки на прочность

Если вам когда-нибудь говорили, что «мельче зерно в металле значит прочнее», то вот новость, которая может перевернуть половину учебников. Исследователи из Корнеллского университета в США выяснили, что при ударных нагрузках на сверхвысоких скоростях этот привычный рецепт может давать обратный эффект: металл с меньшим размером зерна не упрочняется, а наоборот становится мягче.

Команда из Нью Йорка проверяла границы так называемого закона Холла - Петча, который уже больше 70 лет объясняет, почему металлы обычно крепнут при уменьшении размера зерна. Идея проста: границы между кристаллическими зернами работают как барьеры для дислокаций, микроскопических дефектов, которые позволяют металлу деформироваться. Чем больше таких барьеров, тем сложнее дислокациям двигаться, тем прочнее материал.

Чтобы понять, что происходит в действительно экстремальных условиях, ученые применили лазерные испытания с микроснарядами. По сути, это «выстрелы» микроскопическими частицами по металлической мишени со скоростями выше скорости звука, примерно от 761 мили в час, это около 1225 км/ч. Раньше такие сверхвысокие скорости деформации было трудно исследовать, но современные установки наконец позволили проводить стабильные эксперименты.

В качестве основной модели они взяли медь и подготовили образцы с размером зерна от 1 до 100 микрометров, то есть как раз в диапазоне, где эффект Холла - Петча обычно считается надежным. Логика подсказывала, что мелкозернистые образцы должны лучше сопротивляться вдавливанию. На практике вышло иначе: при ударе более крупнозернистая медь давала более мелкие вмятины. Это означает большую твердость и более эффективное рассеивание энергии, что выглядит как прямой вызов классической теории.

По словам авторов, ключ может быть в том, как именно ведут себя дислокации на ультравысоких скоростях. В обычных условиях границы зерен действительно мешают дислокациям и тем самым упрочняют металл. Но когда деформация происходит почти мгновенно, дислокации разгоняются настолько, что начинают заметно взаимодействовать с колебаниями атомов в кристалле. Этот механизм называют «торможением дислокаций фононами», и он способен сильно повышать сопротивление деформации сам по себе. В такой ситуации привычное «упрочнение границами зерен» может перестать быть главным игроком, а зависимость от размера зерна меняется на противоположную.

Хотя основная серия опытов была на меди, исследователи предполагают, что эффект может оказаться универсальным. По их словам, первые проверки на других металлах и сплавах уже показали похожие развороты поведения прочности, когда скорость деформации становится экстремальной.

Практический интерес тут очевиден. Если материал ведет себя иначе при сверхбыстром ударе, значит по новым правилам можно подбирать структуру металла под конкретные нагрузки. Это касается и легкой брони, и деталей, сделанных аддитивными технологиями, и конструкций для космоса, которым нужно переживать столкновения с частицами и мусором на огромных скоростях. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.