Ученые Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ измерили кристаллографическую текстуру магниевых сплавов, что поможет понять, как сделать сплав более пластичным и менее хрупким. Исследование было выполнено с помощью нейтронов на дифрактометре СКАТ в ОИЯИ. Подход показал большую эффективность в сравнении с традиционными методиками, основанными на рентгеновском излучении. Исследовав таким образом текстуру образцов по всей глубине, ученые ОИЯИ помогут производителям в создании инновационных сплавов из цветных металлов с определенными физическими характеристиками и более удобных для обработки.

Установка СКАТ, расположенная на канале 7А исследовательского реактора ИБР-2, представляет собой мультидетекторный дифрактометр, содержащий три независимые детекторные системы с разной геометрией рассеяния. Текстурный дифрактометр СКАТ позволяет изучать кристаллографическую текстуру разных материалов: на нем проводились исследования не только металлов, но и горных пород, и биологических образцов – раковин современных и ископаемых моллюсков.

Текстурный дифрактометр СКАТ и схема его расположения

«Магниевые сплавы широко распространены, это материалы будущего – из них изготавливаются легкосплавные автомобильные диски, корпуса ноутбуков. Они применяются в космической промышленности. По цене такой сплав немногим дороже алюминия, а по прочности сопоставим с титаном», — рассказал соавтор исследования, старший научный сотрудник ЛНФ ОИЯИ Дмитрий Николаев. Он сообщил, что магниевые сплавы изучаются в научных центрах по всему миру; им посвящаются отдельные конференции. Однако с обработкой магниевых сплавов возникают трудности: материал может рваться при штамповке, которая в промышленности используется как один из наиболее дешевых видов производства. Штампуемости сплавов мешает острая кристаллографическая текстура магния и его сплавов, которая получается в результате прокатывания металлического листа.

Кристаллографическая текстура представляет собой распределение ориентаций кристаллитов в поликристаллическом образце. Цель исследований – добиться, чтобы ориентации кристаллитов в изделии были более хаотичными. Для этого в магний либо добавляются примеси, либо подбираются температурные режимы, при которых идет изготовление листов. При каждом таком изменении необходимо измерять кристаллографическую текстуру во всем объеме материала.

Ориентация кристаллита в кристалле

И здесь исследования в ЛНФ ОИЯИ с помощью нейтронов на установке СКАТ имеют преимущества по сравнению с традиционной методикой, основанной на дифракции рентгеновских лучей, – в частности, нейтроны обладают намного большей проникающей способностью. «Рентгеновское излучение проникает в материал на глубину до 0,1 мм, нейтроны же – на сантиметры. С помощью рентгеновских установок можно исследовать только приповерхностный слой образцов, однако при исследовании массивных изделий ученых интересуют и более глубокие слои материала», — прокомментировал Дмитрий Николаев.

Методом времяпролетной дифракции нейтронов, основанным на физическом явлении упругого рассеяния нейтронов, ученые ЛНФ измерили в образцах материала так называемые полные полюсные фигуры. Эти фигуры показывают связь внешней системы координат образца с системой координат кристалла (его ориентировкой). Полюсные фигуры извлекаются путем математической обработки из нейтронных спектров, которые регистрируются установкой СКАТ. Традиционным же методом рентгеновского рассеяния можно построить лишь неполные полюсные фигуры.

Кристаллографически эквивалентные полюсные фигуры магниевого сплава

Метод времяпролетной дифракции нейтронов был разработан в ОИЯИ в 1962 году в экспериментах на реакторе ИБР и отсюда получил распространение в мире.

Доклад старших научных сотрудников Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ Дмитрия Николаева и Татьяны Лычагиной об исследованиях кристаллографической текстуры магниевых сплавов был признан лучшим на прошедшей ХV Всероссийской конференции по испытаниям и исследованиям свойств материалов «ТестМат». Дмитрий Николаев рассказал, что в практическом отношении признание доклада лучшим открывает перспективы сотрудничества с организатором конференции – Всероссийским институтом авиационных материалов (ВИАМ, входит в структуру НИЦ «Курчатовский институт»). «Сейчас идет обсуждение возможных совместных экспериментов. Пока реактор ИБР-2 остановлен, мы можем планировать будущие эксперименты и готовить для них образцы», — пояснил ученый.