Metali postaju mekši kada se zagreju, što je način na koji kovači mogu da formiraju gvožđe u složene oblike tako što ga zagreju usijano. I svako ko uporedi bakarnu žicu sa čeličnom vešalom brzo će uočiti da je bakar mnogo savitljiviji od čelika.
Ali naučnici sa MIT-a su otkrili da kada metal udari objekat koji se kreće super velikom brzinom, dešava se suprotno: što je metal topliji, to je jači. U tim uslovima, koji stvaraju ekstremni stres na metal, bakar zapravo može biti jednako jak kao i čelik.
Novo otkriće moglo bi da dovede do novih pristupa dizajniranju materijala za ekstremna okruženja, kao što su štitovi koji štite svemirske letelice ili hipersonične letelice, ili opremu za proizvodne procese velike brzine.
Nalazi su opisani u radu koji se pojavljuje u časopisu Nature, od strane Iana Daudinga, diplomiranog studenta MIT-a, i Kristofera Šuha, bivšeg šefa MIT-ovog Odeljenja za nauku o materijalima i inženjerstva, sada dekana inženjerstva na Univerzitetu Northvestern i gostujućeg profesora na MIT-u.
Novi nalaz, pišu autori, „je kontraintuitivan i u suprotnosti sa decenijama studija u manje ekstremnim uslovima.“ Neočekivani rezultati mogli bi da utiču na različite primene jer se ekstremne brzine uključene u ove udare javljaju rutinski u udarima meteorita na svemirske letelice u orbiti i u operacijama velike brzine mašinske obrade koje se koriste u proizvodnji, peskarenju i nekim procesima aditivne proizvodnje (3D štampanje).
Eksperimenti koje su istraživači koristili da pronađu ovaj efekat uključivali su gađanje sitnih čestica safira, samo milionitih delova metra u prečniku, na ravne ploče metala. Pokrenute laserskim zracima, čestice su dostizale velike brzine, reda veličine nekoliko stotina metara u sekundi.
Dok su drugi istraživači povremeno radili eksperimente pri sličnim velikim brzinama, oni su imali tendenciju da koriste veće udarce, na skali od centimetara ili više. Pošto su u ovim većim udarima dominirali efekti udarnog udara, nije bilo načina da se razdvoje mehanički i termički efekti.
Sićušne čestice u novoj studiji ne stvaraju značajan talas pritiska kada pogode metu. Ali bila je potrebna decenija istraživanja na MIT-u da se razviju metode pokretanja takvih mikroskopskih čestica pri tako velikim brzinama. „Iskoristili smo to“, kaže Šuh, zajedno sa drugim novim tehnikama za posmatranje samog udara velike brzine.
Tim je koristio kamere izuzetno velike brzine „da bi posmatrao čestice kako ulaze i kako odlete“, kaže on. Kako se čestice odbijaju od površine, razlika između dolazne i izlazne brzine „govori vam koliko je energije deponovano“ u metu, što je pokazatelj površinske čvrstoće.
Sićušne čestice koje su koristile bile su od glinice ili safira i „veoma su tvrde“, kaže Dauding. U prečniku od 10 do 20 mikrona (milionitih delova metra), oni su između jedne desetine i jedne petine debljine ljudske kose. Kada laserski snop pogodi lansirnu ploču iza tih čestica, deo materijala ispari, stvarajući mlaz pare koji pokreće česticu u suprotnom smeru.
Istraživači su ispalili čestice na uzorke bakra, titanijuma i zlata i očekuju da će se njihovi rezultati primeniti i na druge metale. Oni kažu da njihovi podaci pružaju prve direktne eksperimentalne dokaze za ovaj anomalni termalni efekat povećane čvrstoće sa većom toplotom, iako su nagoveštaji takvog efekta bili prijavljeni i ranije.
Čini se da je iznenađujući efekat rezultat načina na koji se uređeni nizovi atoma koji čine kristalnu strukturu metala kreću pod različitim uslovima, prema analizi istraživača.
Oni pokazuju da postoje tri odvojena efekta koji upravljaju načinom na koji se metal deformiše pod naponom, i dok dva od njih prate predviđenu putanju povećanja deformacije na višim temperaturama, treći efekat, koji se zove jačanje otpora, preokreće svoj efekat kada brzina deformacije pređe određeni prag.
Iza ove tačke ukrštanja, viša temperatura povećava aktivnost fonona – talasa zvuka ili toplote – unutar materijala, a ovi fononi stupaju u interakciju sa dislokacijama u kristalnoj rešetki na način koji ograničava njihovu sposobnost klizanja i deformacije. Efekat se povećava sa povećanom brzinom udara i temperaturom, kaže Dauding, tako da „što brže idete, manje su dislokacije u stanju da reaguju“.
Naravno, u nekom trenutku povećana temperatura će početi da topi metal, a u tom trenutku će se efekat ponovo obrnuti i dovesti do omekšavanja. „Postojaće granica“ za ovaj efekat jačanja, kaže Dauding, „ali ne znamo šta je to“.
Nalazi bi mogli dovesti do različitih izbora materijala prilikom dizajniranja uređaja koji mogu naići na takve ekstremne naprezanja, kaže Schuh. Na primer, metali koji obično mogu biti mnogo slabiji, ali koji su jeftiniji ili lakši za obradu, mogu biti korisni u situacijama u kojima niko ranije ne bi pomislio da ih koristi.
Ekstremni uslovi koje su istraživači proučavali nisu ograničeni na svemirske letelice ili ekstremne proizvodne metode. „Ako letite helikopterom u peščanoj oluji, mnoge od ovih čestica peska će dostići velike brzine kada udare u lopatice“, kaže Dauding, a u pustinjskim uslovima mogu dostići visoke temperature na kojima se pojavljuju ovi efekti očvršćavanja.
Tehnike koje su istraživači koristili da otkriju ovaj fenomen mogu se primeniti na razne druge materijale i situacije, uključujući druge metale i legure. Dizajniranje materijala koji će se koristiti u ekstremnim uslovima jednostavnom ekstrapolacijom iz poznatih svojstava u manje ekstremnim uslovima može dovesti do ozbiljno pogrešnih očekivanja o tome kako će se materijali ponašati pod ekstremnim naponima, kažu oni.
