Металлы становятся мягче при нагревании, поэтому кузнецы могут придавать железу сложные формы, раскаляя его докрасна. И любой, кто сравнит медную проволоку со стальной вешалкой, быстро поймет, что медь гораздо более податлива, чем сталь.

Но ученые из Массачусетского технологического института обнаружили, что когда металл сталкивается с объектом, движущимся со сверхвысокой скоростью, происходит обратное: чем он горячее, тем он прочнее. В таких условиях медь становится быть такой же твердой как сталь.

Новое открытие, пишут авторы, "нелогично и противоречит десятилетиям исследований в менее экстремальных условиях". Неожиданные результаты могут повлиять на множество применений, поскольку экстремальные скорости, связанные с этими ударами, обычно возникают при столкновении метеоритов с космическими кораблями на орбите, а также при высокоскоростных операциях механической обработки, используемых в производстве, пескоструйной очистке и некоторых процессах аддитивного производства (3D-печати).

Эксперименты, которые исследователи использовали, чтобы обнаружить этот эффект, включали стрельбу крошечными частицами сапфира диаметром всего в миллионные доли метра по плоским листам металла. Под действием лазерных лучей частицы достигали высоких скоростей, порядка нескольких сотен метров в секунду. Хотя другие ученые время от времени проводили подобные эксперименты, они, как правило, использовали более крупные ударные элементы размером в сантиметры или больше. Поскольку в этом случае большую роль играл шок от удара, выделить механические и термические эффекты не было возможности.

Крошечные частицы в новом исследовании не создают значительной волны давления при попадании в цель. Но потребовалось десятилетие исследований в Массачусетском технологическом институте, чтобы разработать методы перемещения таких микроскопических частиц на столь высоких скоростях. 

"Мы воспользовались этим наряду с другими новыми методами наблюдения за ударом на высокой скорости", — говорит Кристофер Шу, бывший глава факультета материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института, ныне декан инженерного факультета Северо-Западного университета и приглашенный профессор Массачусетского технологического института.

По словам ученого, команда использовала сверхвысокоскоростные камеры, чтобы наблюдать за частицами до и после столкновения. Когда они отскакивают от поверхности, разница между входящей и исходящей скоростями позволяют рассчитать, сколько энергии было передано мишени, что является показателем прочности поверхности.

Крошечные частицы, которые они использовали, были сделаны из оксида алюминия или сапфира и "очень твердыми", говорит Иан Даудинг. Их диаметр составлял от 10 до 20 микрон (миллионных долей метра), то есть в пять или десять раз меньше толщины человеческого волоса. Когда на стартовую площадку позади этих частиц попадает лазерный луч, некоторое количество материала испаряется, создавая струю, которая толкает "снаряд" в противоположном направлении.

Таким образом исследователи обстреляли образцы меди, титана и золота и ожидают, что их результаты будут применимы и к другим металлам. По их словам, данные предоставляют первое прямое экспериментальное доказательство этого аномального теплового эффекта увеличения прочности при большем нагреве, хотя намеки на это фиксировались и раньше.

Согласно анализу исследователей, удивительный эффект возникает в результате того, как упорядоченные массивы атомов, составляющие кристаллическую структуру металлов, движутся в разных условиях. Они показывают, что существует три отдельных аспекта влияния, определяющих деформацию под напряжением. Хотя два из них следуют предсказанной траектории увеличения деформации при более высоких температурах, а третий меняет свой эффект, когда скорость деформации пересекает определенный порог.

За пределами этой точки пересечения более высокая температура увеличивает активность фононов — звуковых или тепловых волн — внутри материала, и они взаимодействуют с дислокациями в кристаллической решетке таким образом, что ограничивают их способность скользить и деформироваться. По словам Даудинга, эффект усиливается с увеличением скорости удара и температуры, так что "чем быстрее вы движетесь, тем меньше дислокаций могут реагировать".

Конечно, в какой-то момент повышенная температура начнет плавить металл, и в этот момент произойдет размягчение. "У этого усиливающегося эффекта будет предел, — говорит Даудинг, — но мы не знаем, какой".

По словам Шу, полученные результаты могут привести к другому выбору материалов при разработке устройств, которые могут подвергаться экстремальным нагрузкам. Например, металлы, которые обычно намного слабее, но дешевле или легче обрабатываются, могут оказаться полезными в ситуациях, где раньше никто и не думал их использовать.

Экстремальные условия, которые изучали исследователи, не ограничиваются космическими кораблями или отдельными методами производства. "Если вы управляете вертолетом во время песчаной бури, многие из частиц песка будут достигать высоких скоростей, ударяясь о лопасти", — говорит Даудинг. А в условиях пустыни они могут достигать высоких температур, при которых проявляется эффект упрочнения.

Методы, которые исследователи использовали для открытия этого явления, могут быть применены к множеству других материалов и ситуаций, включая другие металлы и сплавы. При этом, по их словам, простая экстраполяция известных свойств в менее экстремальных условиях может привести к ошибочным ожиданиям относительно того, как материалы будут вести себя при экстремальных нагрузках.

Результаты исследования описаны в статье, опубликованной в журнале Nature.