Российские ученые показали, как будут двигаться линейные дефекты кристаллической решетке меди при добавлении в нее атомов никеля. Оказалось, что при этом скорость движения дислокаций может как уменьшиться, так и увеличиться. Исследование опубликовано в International Journal of Plasticity. Работа поддержана Президентской программной исследовательских проектов Российского научного фонда (РНФ).

Сегодня ученые знают разные способы, позволяющие повысить прочность металлов. Один из них — твердорастворное упрочнение. При этом в решетку одного металла вводят атомы другого. Это препятствует движению дефектов и неоднородностей кристаллической решетки металла, из-за чего он становится прочнее.

Дислокации — это линейные дефекты решетки материала. Самый простой пример — прямолинейная краевая дислокация. При этом в кристаллическую решетку вклинивается дополнительная атомная полуплоскость и создает под собой небольшую полость. Если при этом оказывать давление на слои материала, они будут сдвигать эту атомную полуплоскость. В конце концов она выйдет на поверхность материала и произойдет необратимая пластическая деформация. Атомы примеси, добавленные в основной металл, влияют на скорость движения дислокаций. До недавнего времени исследователи считали, что такие атомы могут только замедлять движение дислокаций.

Российские ученые из МГУ имени М. В. Ломоносова выяснили, что внедряемые в решетку атомы могут не только уменьшать, но и увеличивать скорость движения дислокаций. Для этого авторы анализировали твердые растворы меди и никеля. Такие компоненты ученые выбрали из-за того, что никель имеет полную растворимость в меди. Это позволяет рассмотреть широкий диапазон концентраций без изменения структуры сплава. В своей работе исследователи провели компьютерное моделирование движения дислокации при температурах сплава от -173,15°C до 827 °C и атомной концентрации никеля в диапазоне от 0 до 30%.

Ученые обнаружили два варианта того, как атомы никеля оказывают влияние на скорость краевых дислокаций. Все зависит от величины приложенного сдвигового напряжения. Если оно не превышает критическое, то атомы никеля выступают в роли барьеров, которые снижают скорость движения дислокаций. Однако когда приложенное напряжение начинает превышать критическое, они, наоборот, увеличивают скорость движения дефектов. В таком режиме дислокации движутся со скоростями как у поперечных звуковых волн. При этом они перестают взаимодействовать с добавленными атомами.

Исследователи показали, что с увеличением концентрации никеля в меди повышается и скорость распространения звуковых волн. Это, в свою очередь, вызывает ускорение движения дислокаций, если сдвиговое напряжение выше критического.