Физики Института проблем машиноведения РАН вместе с коллегами из Уфы и Нанкина (Китай) исследовали синтезированный ранее наноструктурированный технически чистый титан, перспективный для создания зубных имплантов, и объяснили механизм его высокой прочности. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Metals.

Авторы исследовали наноструктурированный технически чистый титан (с малым количеством примесей), созданный в Уфимском университете науки и технологий. Материал был обработан особым способом — двукратным кручением под высоким давлением с последующим отжигом. В результате размер зёрен титана уменьшился до 100 нм (в 100-1000 раз меньше толщины человеческого волоса), а их границы оказались насыщены примесями. Такой наноструктурированный титан показал рекордную прочность, которую нельзя объяснить известными механизмами упрочнения.

Учёные из Уфы установили, что после специальной обработки наноструктурированный титан демонстрирует прочностные характеристики: предел текучести (напряжение, при котором материал начинает деформироваться) достигает 1340 МПа (мегапаскалей), а предел прочности (максимальное напряжение перед разрушением) — 1510 МПа. Для сравнения, обычный горячекатаный титан с крупными зёрнами (10 мкм) имеет гораздо меньшую прочность — 500 МПа и 680 МПа соответственно. При других режимах обработки показатели варьировались от 600 до 1200 МПа (предел текучести) и от 720 до 1340 МПа (предел прочности), что подтверждает ключевую роль выбранной технологии в упрочнении материала.

Исследователи предположили, что сверхпрочность связана с накоплением примесей на границах зёрен. В свою очередь, учёные Нанкинского университета науки и технологий подтвердили это экспериментально, обнаружив необычно высокую концентрацию атомов железа в толстых прослойках вдоль границ.

«Мы предположили, что сверхпрочность наноструктурированного титана связана с тем, как примеси влияют на дефектную структуру границ зёрен. Для проверки этой идеи мы использовали теоретическую модель, разработанную ранее для наноструктурированных тем же способом алюминиевых сплавов. Она объясняет, как примеси на границах зёрен взаимодействуют с имеющимися там дислокациями, блокируя их подвижность и повышая прочность материала», — прокомментировал руководитель лаборатории механики наноматериалов и теории дефектов ИПМаш РАН Михаил Гуткин.

В наноструктурированных металлах, полученных интенсивной деформацией, пластичность во многом зависит от поведения границ зёрен. На них находятся особые дефекты — внесённые дислокации, накопившиеся на границах в процессе деформации. При нагрузке эти дислокации перестраиваются, образуя скопления, которые создают высокие локальные напряжения и помогают зёрнам деформироваться. Однако, если на границах появляются примеси (например, железо), они «закрепляют» дислокации, не давая им собираться в скопления. Из-за этого напряжения не концентрируются, и пластичность внутри зёрен снижается — материал становится прочнее.

Это объяснение позволяет целенаправленно управлять свойствами металлов, контролируя распределение примесей по границам зёрен. В будущем это может привести к созданию новых сверхпрочных и пластичных материалов.

Источник: ИПМаш РАН.