This post is also available in:
English (אנגלית)
במשך עשרות שנים הסתמכו מהנדסים על כלל פשוט בתכנון מתכות חזקות יותר: הקטנת גודל הגרעינים הופכת את החומר לקשיח ועמיד יותר בפני נזק. עיקרון זה, המוכר כיחס הול–פֶּץ׳ (Hall–Petch), עיצב אינספור יישומים — ממבני תעופה ועד שריון מגן. אולם מחקר חדש מצביע על כך שבתנאים קיצוניים הכלל הזה חדל לפעול — ואף עשוי להתהפך.
חוקרים שבחנו את התנהגותן של מתכות במהירויות עיוות גבוהות במיוחד גילו שכאשר חומרים נפגעים במהירויות על־קוליות, הקטנת גודל הגרעינים עלולה דווקא לרכך את החומר במקום לחזקו. הגילוי עלה מניסויים שנועדו לבחון את גבולות ההנחות הוותיקות של מדע החומרים, במיוחד בתרחישים של פגיעות מהירות במיוחד.
כדי לחקור זאת השתמש הצוות בניסויי פגיעה של מיקרו־קליעים מונעי לייזר. בניסויים אלה נורים חלקיקים מיקרוסקופיים אל דגימות מתכת במהירויות העולות על מהירות הקול, ויוצרים קצבי עיוות גבוהים בהרבה מאלה הנמדדים בבדיקות מכניות רגילות. שיטה זו אפשרה לחוקרים לצפות בהתנהגות החומר בתנאים הדומים לפגיעות בליסטיות או להתנגשויות עם פסולת מהירה במיוחד.
על פי דיווח של Interesting Engineering, נבחנו דגימות נחושת בעלות גודל גרעינים שנע בין מיקרומטר אחד ל־100 מיקרומטרים. בקצבי העמסה רגילים, גרעינים קטנים יותר התנהגו כמצופה והפגינו עמידות גבוהה יותר לעיוות. אך במהירויות פגיעה על־קוליות התמונה התהפכה: דגימות בעלות גרעינים גדולים יותר יצרו מכתשי פגיעה רדודים יותר ופיזרו יותר אנרגיה — סימן לעמידות גבוהה יותר בפני נזק. ניסויים חוזרים אישרו את המגמה ושללו אפשרות של שגיאה ניסויית.
ההסבר טמון באופן שבו מתכות מתעוותות במהירויות קיצוניות. בתנאים רגילים, גבולות הגרעינים חוסמים את תנועת הדיסלוקציות — פגמים מיקרוסקופיים המאפשרים למתכת להתעוות — ובכך מחזקים את החומר. בקצבי עיוות אולטרה־גבוהים, הדיסלוקציות נעות במהירות כה גבוהה עד שהן מתחילות לקיים אינטראקציה חזקה עם תנודות האטומים בסריג הגבישי. תופעה זו, המכונה גרר דיסלוקציה–פונון (dislocation–phonon drag), מוסיפה התנגדות לתנועה ומשנה את מנגנון החיזוק הדומיננטי. במשטר זה, מספר קטן יותר של גבולות גרעין עשוי דווקא להועיל.
אף שהניסויים התמקדו בנחושת, בדיקות ראשוניות במתכות ובסגסוגות נוספות מצביעות על כך שהתופעה עשויה להיות רחבה יותר. אם הממצאים יאוששו, הם עשויים לחייב חשיבה מחודשת על האופן שבו מותאמים חומרים לסביבות קיצוניות.
מבחינה בטחונית, מערכות שריון, מבני מיגון לכלי רכב ותחמושת כולם חווים פגיעות בקצבי עיוות גבוהים. תכנון חומרים המותאמים במיוחד לתנאים אלה — ולא הסתמכות על הנחות התקפות במהירויות נמוכות יותר — עשוי לשפר את רמת ההגנה תוך הפחתת משקל. שיקולים דומים חלים גם בתחום החלל, שבו מיגון נדרש לעמוד בהתנגשויות עם פסולת מהירה במיוחד.
מעבר לעולמות הביטחון, הממצאים עשויים להשפיע גם על ייצור בתוספת (Additive Manufacturing), שבו ניתן לשלוט במדויק בגודל הגרעינים, ועל כל יישום הכרוך בפגיעות או בעומסי הלם. באופן רחב יותר, המחקר מדגיש כיצד חומרים המתנהגים באופן צפוי בתנאים יומיומיים עשויים לחשוף תכונות בלתי צפויות כאשר דוחקים אותם אל קצה גבול היכולת — ולפתוח נתיבים חדשים להנדסה בסביבות קיצון.
המחקר פורסם בכתב העת Physical Review Letters.
