Немецкие ученые из Института Макса Планка обнаружили новый фактор, влияющий на механические свойства сплавов. Исследуя структуру марганцевой стали, они обнаружили нетипичную для материала кристаллическую фазу, образующуюся на дислокациях (структурных дефектах кристаллической решетки) за счет их избыточной энергии. Такие структуры оказались способны сильно менять механические свойства материала. Исследование опубликовано в журнале Science.

Просвечивающая электронная микроскопия стали (правый), на которой стрелками указаны дислокации, и атомно-зондовая томография (слева), показывающая распределение химических элементов в объеме образца.Изображение: Kuzmina et al., DOI: 10.1126/science.aab2633

Во время исследования жесткой марганцевой стали (в сплаве 9,1 атомных процента Mn), применяемой для изготовления шасси больших самолетов, ученые неожиданно обнаружили в материале цепочки обогащенных марганцем «бус», диаметр которых составляет около одного нанометра. Содержание марганца в «бусах» практически втрое превышает среднюю концентрацию в стали

Закаленная сталь структурно состоит из мартенсита (твердый раствор углерода в объемноцентрированной кубической фазе α-железа), а содержание марганца в «бусах» соответствует равновесной концентрации в аустените (гранецентрированная кубическая фаза, γ-железо). Структурный переход мартенсит-аустенит ученые объясняют воздействием избыточной энергии дислокаций. Совместное применение просвечивающей электронной микроскопии и атомно-зондовой томографии позволило определить, что обогащенные марганцем зоны действительно расположены на дислокациях. Поскольку в одном кубическом метре материала суммарная длина дислокаций может достигать светового года, образующиеся на них фазы сильно меняют механические свойства материала.

По словам исследователей, это открытие может помочь объяснить уже известное поведение металлов – например, то, что металлы становятся хрупкими в результате коррозии или поглощения водорода. Авторы также рассчитывают научиться целенаправленно вызывать образование подобных структур. Подобные навыки откроют совершенно новые возможности в сталелитейной промышленности, например, создание «нанодамасской» стали, которая была бы прочной и твердой одновременно.