Naujas tyrimas paneigė vieną iš pagrindinių metalurgijos principų – ilgai galiojusią nuostatą, kad kaitinimas visada suminkština metalą. Ši „Metalurgijos 101“ aksioma daugelį metų buvo savaime suprantama tiek kalviams, tiek šiuolaikiniams inžinieriams.
Iki šiol vyravo įsitikinimas, kad norint metalą sulenkti ar deformuoti jo nesuskeliant, pakanka jį įkaitinti. Šiluma suteikia atomams daugiau energijos, todėl jie lengviau slenka vieni pro kitus, o medžiaga tampa plastiškesnė ir lengviau formuojama.
Šiuo principu žmonės naudojosi dar nuo geležies amžiaus, stebėdami raudonai įkaitusios žaizdrės švytėjimą. Klasikinė metalurgija aiškino, kad kylanti temperatūra palengvina atomų judėjimą ir mažina metalo atsparumą deformacijai.
Vis dėlto JAV Šiaurės Vakarų universiteto inžinierių komanda šį pamatinį supratimą užginčijo. Tyrime, paskelbtame mokslo žurnale „Physical Review Letters“, mokslininkai parodė, kad ekstremaliomis, itin didelio greičio deformacijos sąlygomis šiluma gali metalą ne minkštinti, o priešingai – kietinti, ypač kai kalbama apie grynuosius metalus.
„Vienas pagrindinių metalurgijos principų teigia, kad kaitinamas metalas suminkštėja. Tai yra metalurgija 101. Tačiau mes nustatėme, kad jei pakaitinsime gryną metalą ir bandysime jį deformuoti itin dideliu greičiu, viskas apsiverčia – metalas sukietėja ir priešinasi deformacijai“, – teigė tyrimo pirmasis autorius Chrisas Schuhas.
Įprastomis sąlygomis šiluma iš tiesų palengvina atomų judėjimą, todėl metalas tampa elastingesnis ir lengviau apdirbamas. Tačiau šis dėsningumas nebeveikia ultraaukšto greičio deformacijos atveju, kai procesai vyksta mikrosekundžių dalimis.
Eksperimentams tyrėjai pasitelkė mikrobalistinę sistemą: mikroskopinės dalelės didžiuliu greičiu buvo šaudomos į metalų paviršius. Smūgiai buvo tokie intensyvūs, kad metalas akimirksniu patirdavo milžinišką tempimo greitį – iki 100 milijonų procentų pradinio ilgio per sekundę.
Tokiose sąlygose reiškiniai vyksta taip sparčiai, jog klasikinės teorijos ne visada pajėgia juos paaiškinti. „Per kelias sekundes, per kurias trunka automobilio susidūrimas, galėtume atlikti beveik milijardą tokių eksperimentų. Tai tūkstančiu kartų greičiau nei mirktelėjimas“, – aiškino Schuhas.
Tyrimas atskleidė ryškų skirtumą tarp grynų metalų ir lydinių. Pakilus temperatūrai iki maždaug 155 °C, grynieji metalai, tokie kaip nikelis ar auksas, demonstravo netikėtą kietėjimą. Tuo tarpu net ir nedaug legiruoti metalai elgėsi pagal įprastą taisyklę: kuo aukštesnė temperatūra, tuo medžiaga minkštesnė.
Šio reiškinio paaiškinimo mokslininkai ieško atomų virpėjime. Itin greitų smūgių metu atomai ima taip intensyviai virpėti, kad jų judėjimas pradeda trukdyti deformacijai plisti. Tarsi mikroskopinis „gynybos mechanizmas“, šie virpesiai sukuria papildomą pasipriešinimą išorinei jėgai.
Kylant temperatūrai, atomų virpesiai stiprėja, o struktūra tampa chaotiškesnė, tačiau kartu – atsparesnė. Paradoksalu, bet būtent toks chaosas ekstremalių apkrovų metu gali padėti metalui tapti kietesniam.
„Jei labai greitai smogžiame grynam metalui, verčiame atomus judėti greičiau, nei jie natūraliai linkę. Todėl jie priešinasi ir stumia atgal – iš čia kyla jų stiprumas“, – teigė Schuhas.
Vis dėlto šis efektas pasireiškia tik itin grynuose metaluose. Tyrėjai nustatė, kad įdėjus vos apie 0,3 procento kito elemento, kietėjimo reiškinys išnyksta. Lydiniuose priemaišos tampa papildomomis kliūtimis atomų judėjimui, o šiluma padeda jas lengviau įveikti, todėl medžiaga vėl paklūsta tradiciniam modeliui.
Šis atradimas gali būti reikšmingas kuriant naujas medžiagas. Jei į metalo grynumą bus pradėta žvelgti kaip į atskirą konstrukcinį parametrą, atsivers galimybės projektuoti medžiagas ekstremalioms sąlygoms – nuo hipergarsinių orlaivių iki kosminių konstrukcijų.
Pavyzdžiui, ateityje galėtų būti kuriamos apsauginės sistemos, kurių paviršiai sąmoningai įkaista tam, kad smūgio metu sukietėtų ir geriau atlaikytų mikrometeoritų ar kitų didelio greičio dalelių poveikį. Tai dar kartą primena, kad net seniausios mokslo taisyklės gali būti peržiūrėtos, kai reiškiniai tiriami naujomis sąlygomis ir kitu kampu.
