Измерения на месте данные о воздействии микропроктива в NC CU-3TA. Кредит: Коммуникационные материалы (2025). Два: 10.1038/S43246-025-00757-8
Сотрудничество под руководством Корнелла разработало новый метод для проектирования металлов и сплавов, который может противостоять экстремальным воздействиям: введение скорости нанометрового масштаба, которые подавляют фундаментальный переход, который контролирует, как деформируется металлические материалы.
Выводы, опубликованные 5 марта в Коммуникационные материалыможет привести к разработке автомобилей, самолетов и доспехов, которые могут лучше выдержать высокоскоростные воздействия, экстремальное тепло и напряжение.
Проект руководил Мостафой Хасани, доцентом в Школе машиностроения и аэрокосмической инженерии Сибли, а также в Департаменте материаловедения и инженерии в Корнелле инженерии, в сотрудничестве с исследователями из исследовательской лаборатории армии (ARL). Совместными авторами газеты были кандидат на докторантуру Ци Тан и постдокторский исследователь Цзяньсионг Ли.
Когда металлический материал поражен на чрезвычайно высокой скорости — посторонние столкновения с шоссе и баллистические воздействия — материал немедленно разрывается и терпит неудачу. Причиной этой неудачи является охлаждение — материал теряет пластичность (способность сгибаться без лома), когда быстро деформируется. Тем не менее, охлаждение — это непостоянный процесс: если вы возьмете тот же материал и сгибаете его медленно, оно деформируется, но не разбивается сразу.
Это податливое качество в металлах является результатом крошечных дефектов или дислокаций, которые перемещаются через кристаллическое зерно, пока они не столкнутся с барьером. Во время быстрых, экстремальных штаммов вывихи ускоряются — на скорости километров в секунду — и начинают взаимодействовать с решетчатыми вибрациями или фононами, которые создают существенное сопротивление. Именно здесь происходит фундаментальный переход-от так называемого термически активированного скольжения к баллистическому транспорту-наносящего значительное сопротивление и, в конечном счете, охлаждения.
AS-обработанные и послеформированные микроструктуры под поверхностью репрезентативного впечатления от наноиндентации и впечатления от микропроектиля в сплавах NC CU 3-TA. Кредит: Коммуникационные материалы (2025). Два: 10.1038/S43246-025-00757-8
«То, что вы действительно хотите в металлическом материале, — это способность поглощать энергию. Таким образом, одним из механизмов поглощения энергии будет деформация или пластичность. В этом случае мы надеемся, что, подавив баллистический перенос дислокаций, и, в свою очередь, предотвращая обширку, мы позволили сплавам деформации, даже в очень высокой скорости деформации, такие как возникают в условиях удара или шок. «Чтобы подавить перенос баллистического вывиха и результирующее фононовое сопротивление, мы используем концепцию ограничения движения дислокаций, их скольжение, на нанометровое масштаб».
Команда Хасани работала с исследователями ARL, чтобы создать нанокристаллический сплав, медный тантал (CU-3TA). Нанокристаллические медные зерна настолько малы, что движение дислокаций было бы по своей природе ограничено, и это движение еще больше ограничивалось включением нанометровых кластеров тантала в зерна.
Чтобы проверить материал, лаборатория Hassani использовала специально созданную настольную платформу, которая запускается с помощью лазерного импульса, сферических микропроектитов, которые имеют размеры 10 микрон и скорости достижения до 1 километра в секунду, чем самолет. Микропроектисты ударяют целевой материал, а воздействие записывается высокоскоростной камерой. Исследователи провели эксперимент с чистой медью, затем с медной талантом. Они также повторили эксперимент с более медленной скоростью со сферическим наконечником, который постепенно проталкивался в подложку, рассчитывая его.
Однако самой большой проблемой было анализ данных. Ключом было отслеживать количество энергии, используемой в каждом ударе и отступлении. Тан и Ли разработали теоретическую структуру для разделения вклада двух механизмов — терминальной активации с низкой скоростью и баллистического транспорта с высокой скоростью.
Эта реконструкция лазерной конфокальной микроскопии показывает впечатление удара сферического микропроектиля. Кредит: Корнелльский университет
«В то время как мы измеряем вещи с высокими скоростями-скорости удара и отскока и размера частиц-как мы можем обработать данные, чтобы мы могли действительно выделить вклад дислокационного перетаскивания и систематически подавлять этот вклад?» Хасани сказал.
В обычном металле или сплаве дислокации могут пройти несколько десятков микрон без каких -либо барьеров. Но в нанокристаллическом меде-тантале дислокации едва могли перемещать более нескольких нанометров, которые в 1000 раз меньше микрона, прежде чем их остановили на своих следах. Охлаждение было эффективно подавлено.
«Это первый раз, когда мы видим подобное поведение с такой высокой скоростью. И это всего лишь одна микроструктура, одна композиция, которую мы изучали», — сказал Хасани. «Можем ли мы настроить композицию и микроструктуру для управления дислокацией-фононовым сопротивлением? Можем ли мы предсказать степень взаимодействия дислокации с фононом?»
Соавторы включают Билли Хорнбакл, Анит Гири и Кристофер Дарлинг с ARL.
Больше информации:
Ци Тан и др., Подавленные баллистические переносы дислокаций при скорости деформации до 109 с–1 в стабильном нанокристаллическом сплаве, Коммуникационные материалы (2025). Два: 10.1038/S43246-025-00757-8
Информация журнала:
Коммуникационные материалы, предоставленные Корнелльским университетом
Цитирование: Наномасштабные настройки помогают сплавить высокоскоростные воздействия (2025, 5 марта), извлеченные 6 марта 2025 года из этого документа, подлежат авторским правам. Помимо каких -либо справедливых сделок с целью частного исследования или исследования, никакая часть не может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только для информационных целей.
