Исследователи Городского университета Гонконга случайно обнаружили первый в своем роде сплав, который не размягчается, а сохраняет свою жесткость при повышении температуры. И действительно, высокоэнтропийный элинвар становится более жестким и пружинистым по мере приближения температуры к 1 000 К (727°C, 1 341 °F). Ни один из известных металлов не ведет себя подобным образом.

Жесткость высокоэнтропийного сплава Элинвар остается неизменной при изменении температуры. Городской университет Гонконга

Модуль упругости материала определяет его устойчивость к деформации под действием напряжения. Чем выше модуль упругости, тем жестче материал и тем труднее его деформировать. До сих пор считалось, что все металлы размягчаются при повышении температуры из-за теплового расширения.

Но этот химически сложный новый материал, объединенный в уникальную, крайне неоднородную решетчатую структуру, не следует этому правилу. Действительно, модуль упругости этого сплава, судя по всему, увеличивается при повышении температуры. Там, где другие металлы начинают размягчаться, Co25Ni25(HfTiZr)50, или " высокоэнтропийный элинварный сплав", становится жестче. Команда назвала это "эффектом Элинвара".

Модуль упругости сплава не уменьшается при повышении температуры с 300К до 950К - более того, он начинает увеличиваться.

 

"Когда этот материал нагревался до 1000 К, то есть до 726,85 °C, и даже выше, - говорит профессор Янг Йонг с факультета машиностроения CityU, - он оставался таким же или чуть более жестким, чем при комнатной температуре, и расширялся без какого-либо заметного фазового перехода. Это в корне противоречит нашим знаниям из учебника, поскольку металлы обычно размягчаются, когда расширяются при нагревании", - говорит профессор Янг.

Кроме эффекта Элинвара, этот сплав обладает (при комнатной температуре) пределом упругости порядка 2 процентов - другими словами,  он способен выдержать примерно вдвое большее напряжение, чем обычный кристаллический металл, прежде чем произойдет необратимая деформация. Таким образом, он чрезвычайно пружинист и способен накапливать большое количество упругой энергии.

"Так как при деформации не происходит рассеивания энергии и, соответственно, не генерирует тепло, что может стать причиной неисправности приборов, этот суперэластичный материал будет очень востребован в высокоточных устройствах, таких как часы и хронометры", - говорит профессор Янг. " Нам известно, что, например, на поверхности Луны температурные колебания составляют от 122°C до -232°C. Поэтому использование подобного сплава позволит сохранить прочность и целостность в экстремальных условиях, и он идеально подойдет для создания в будущем механических хронометров, работающих в широком спектре температур во время космических экспедиций".

Будет очень любопытно посмотреть, в каких еще областях найдет применение этот (запатентованный) материал.

На видео ниже демонстрируется необычайная упругость высокоэнтропийного сплава Elinvar в испытании на падения металлического шарика при комнатной температуре.

"Пружинистый" высокоэнтропийный сплав Элинвар. Команда провела эксперименты, в которых стальной шарик ударялся о (слева направо) пластину из сплава Co25Ni25(HfTiZr)50, пластину из Cu50Zr45Al5, сплав NiAl и промышленную нержавеющую сталь. Пластина из сплава Co25Ni25(HfTiZr)50 оказалась самой пружинистой. CityU Research.

Исследование опубликовано в журнале Nature .

Источники: Городской университет Гонконга.
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04309-1
https://www.cityu.edu.hk/research/stories/2022/02/10/super-elastic-high-entropy-elinvar-alloy-discovered-potential-aerospace-engineering