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.

Ученые 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 зерен 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.
Ученые 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 зернами (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 зерен. В свою очередь, ученые Нанкинского университета науки и технологий подтвердили это экспериментально, обнаружив необычно высокую концентрацию атомов железа в толстых прослойках вдоль границ.

Руководитель лаборатории механики наноматериалов и теории дефектов ИПМаш РАН Михаил Гуткин предложил такое объяснение: «Мы предположили, что сверхпрочность наноструктурированного титана связана с тем, как примеси влияют на дефектную структуру границ зерен. Для проверки этой идеи я предложил использовать теоретическую модель, разработанную ранее для наноструктурированных тем же способом алюминиевых сплавов. Она объясняет, как примеси на границах зерен взаимодействуют с имеющимися там дислокациями, блокируя их подвижность и повышая прочность материала".

В наноструктурированных металлах, полученных интенсивной деформацией, пластичность во многом зависит от поведения границ зерен. На них находятся особые дефекты – внесенные дислокации, накопившиеся на границах в процессе деформации. При нагрузке эти дислокации перестраиваются, образуя скопления, которые создают высокие локальные напряжения и помогают зернам 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 зерен снижается – материал становится прочнее.
Это объяснение позволяет целенаправленно управлять свойствами металлов, контролируя распределение примесей по границам зерен. В будущем это может привести к созданию новых сверхпрочных и пластичных материалов.