Новая
технология позволяет сделать алюминиевый сплав таким же прочным, как
сталь – при сохранении свойственной алюминию легкости.
Исследование
структуры алюминиевого сплава с помощью атомного зонда показало, что
плотная «набивка» его разного размера группами из атомов цинка и магния
(темно-синие зерна на картинке) существенно повышает его прочность
Действительно,
едва ли не главные достоинства алюминия – его легкость и широкое
распространение (это второй по распространенности металл в земной коре).
Но достоинства эти зачастую перекрываются таким важным недостатком, как
низкая прочность. Алюминий деформируется и рвется тогда, когда
остальные металлы и сплавы легко справляются с нагрузкой. Поэтому
специалисты уже много десятков лет ведут поиски новых сплавов алюминия,
которые были бы прочны и легки – словом, обладали бы свойствами титана,
но без заоблачной стоимости этого металла. Авторы нового
метода решили использовать для этого сравнительно новую технику
металлообработки, «скручивание при высоком давлении» (High-Pressure
Torsion, НРТ). Упрощенно ее можно представить себе так. Тонкий диск
металла фиксируется на торце цилиндрической наковальни и сдавливается
прессом огромной силы, создающим давление в 60 т на квадратный сантиметр
поверхности; при этом наковальня медленно вращается. Кроме того,
обработанные таким способом образцы исследователи оставили на месяц при
комнатной температуре – эта техника называется «естественным старением»
металла. Эти два процесса меняют структуру металлической решетки,
изменяя расположение атомов на крохотные, наноразмерные величины – но
приводят к кардинальным изменениям свойств металла. В
лабораторных экспериментах ученые использовали алюминиевый сплав 7075,
включающий небольшие доли магния и цинка, и в результате добились его
поразительной прочности, характерной для самых прочных сортов стали и
втрое выше, чем у исходного алюминиевого сплава. Естественно,
ученых заинтересовало, что придает сплаву такие внушительные свойства.
Они исследовали образцы с помощью атомного зонда и показали, что
обработка привела к интересным изменениям в металлической решетке. По
сути она стала иерархически организованной наноструктурой: размеры зерен
алюминия уменьшились, а атомы цинка и магния образовали изолированные
зерна разной величины, в зависимости от того, где располагались, между
зернами алюминия или на краю образца. Почему именно такая структура
обеспечивает повышенную прочность, впрочем, непонятно.
По
словам авторов работы, использованной пока лишь в лаборатории процесс
может быть легко адаптирован для промышленных целей. Если это
действительно удастся, это достижение может означать настоящий прорыв в
создании прочных и легких компонентов для автомобилей и самолетов – или,
скажем, производить легкие и прочные шлемы и бронежилеты для армии.
