Stopy stali mocniejsze i elastyczniejsze dzięki nowej obróbce

Stopy stali mocniejsze i elastyczniejsze dzięki nowej obróbc Canva

Nowa obróbka przetestowana na wysokiej jakości stali stopowej zapewnia niezwykłą wytrzymałość i plastyczność, czyli dwie cechy, których często nie da się łączyć. Bardzo drobne ziarna metalu, które zostały poddane obróbce w najbardziej zewnętrznej warstwie stali, wydają się rozciągać, obracać, a następnie wydłużać pod obciążeniem, nadając superplastyczność w sposób, którego naukowcy z Purdue University nie są w stanie w pełni wyjaśnić.

Naukowcy bazowali na T-91, zmodyfikowanym stopie stali, który jest używany w zastosowaniach jądrowych i petrochemicznych. Zaznaczyli jednak, że obróbka może być stosowana w innych miejscach, w których korzystna byłaby mocna, ciągliwa stal, takich jak osie samochodów, liny zawieszenia i inne elementy konstrukcyjne. Badanie zostało przeprowadzone we współpracy z Sandia National Laboratories.

Bardziej intrygujące nawet niż bezpośredni wynik zastosowania silniejszego, bardziej plastycznego wariantu T-91 są obserwacje wykonane w Sandia, pokazujące cechy tego, co zespół nazywa „nanolaminatem” ultradrobnych ziaren metalu, które obróbka stworzyła w regionie rozciągającym się na głębokość około 200 mikronów. Obrazy mikroskopowe pokazują nieoczekiwane odkształcenie obrabianej stali – nazwanej G-T91 (lub gradient T91).

To złożony proces, a społeczność naukowa nie widziała wcześniej tego zjawiska – powiedział Zhang. Z definicji G-T91 wykazuje superplastyczność, ale dokładny mechanizm, który na to pozwala, jest niejasny.

Tworzywa takie jak stal gołym okiem mogą wyglądać na monolityczne, ale przy dużym powiększeniu metalowy pręt okazuje się konglomeratem pojedynczych kryształów zwanych ziarnami. Kiedy metal jest poddawany naprężeniom, ziarna mogą odkształcać się w taki sposób, że metalowa struktura pozostaje zachowana bez pękania, co pozwala na rozciąganie i zginanie. Większe ziarna mogą wytrzymać większe naprężenia niż mniejsze ziarna, co jest podstawą kompromisu między odkształcalnymi metalami o dużych ziarnach a mocnymi metalami o małych ziarnach.

Zmodyfikowana próbka G-T91 miała granicę plastyczności około 700 megapaskali i wytrzymywała równomierne odkształcenie około 10%, co stanowi znaczną poprawę w stosunku do połączonej wytrzymałości i plastyczności, które można osiągnąć za pomocą standardowego T-91.

To jest piękno struktury; środek jest miękki, więc może utrzymać plastyczność, ale dzięki wprowadzeniu nanolaminatu powierzchnia stała się znacznie twardsza  powiedział Shang, obecnie pracownik naukowy w Purdue's Birck Nanotechnology Center. Jeśli następnie utworzysz ten gradient, z dużymi ziarnami w środku i nanoziarnami na powierzchni, odkształcą się one synergistycznie. Duże ziarna odpowiadają za rozciąganie, a małe ziarna odpowiadają za naprężenia. A teraz możesz stworzyć materiał, który łączy w sobie wytrzymałość i plastyczność.

Podczas gdy zespół badawczy postawił hipotezę, że gradientowy nanostrukturalny G-T91 będzie działał lepiej niż standardowy T-91, obrazy ze skaningowego mikroskopu elektronowego wykonane w odstępach podczas testów rozciągania ujawniły ciekawe zjawisko. Obrazy dyfrakcji wstecznie rozproszonej elektronów wykonane pod skaningowym mikroskopem elektronowym w Sandia pokazują, jak ziarna w nanolaminacie G-T91 zmieniają się w rosnących odstępach czasu rzeczywistego odkształcenia, miary plastyczności, od 0% do 120%. Na początku procesu ziarna są pionowe, a ich kształt zespół opisuje jako soczewkowaty. Wraz ze wzrostem naprężenia wydają się rozciągać do bardziej kulistego kształtu, następnie obracać się i ostatecznie wydłużać w poziomie.

Zhang powiedział, że obrazy pokazują interfejs między ziarnami – zwany granicą ziaren – poruszający się, umożliwiający rozciąganie i obracanie się ziaren oraz plastyczną deformację stali. Zespół uzyskał fundusze z National Science Foundation na zbadanie zasad rządzących ruchem na granicach ziaren, co może umożliwić zrozumienie intrygującego zachowania materiałów gradientowych w zakresie deformacji.

Jeśli wiemy, jak się poruszają i dlaczego się poruszają, być może uda nam się znaleźć lepszy sposób ułożenia ziaren. Nie wiemy jeszcze, jak to zrobić, ale otworzyło to bardzo interesujący potencjał – powiedział Zhang.

Opracowanie „Gradientowej stali nanostrukturalnej o doskonałej plastyczności na rozciąganie” było możliwe dzięki wsparciu National Science Foundation. Badania prowadzone w firmie Sandia były wspierane przez użytkowników Centrum Zintegrowanych Nanotechnologii, ośrodka dla użytkowników Biura Naukowego, obsługiwanego przez Biuro Naukowe Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych. Do Zhanga i Shanga dołączyli Tianyi Sun, Jie Ding, Nicholas A. Richter i Haiyan Wang w Purdue oraz badacze Sandia Nathan M. Heckman, Benjamin C. White, Brad L. Boyce i Khalid Hattar, których wspierał Departament USA Energetyki Biuro Podstawowych Nauk o Energetyce.

Źródło: Purdue University

O Autorze

MM Magazyn Przemysłowy jest tytułem branżowym typu business to business, w którym poruszana jest tematyka z różnych najważniejszych sektorów przemysłowych. Redakcja online MM Magazynu Przemysłowego  przygotowuje i publikuje na stronie artykuły techniczne, nowości produktowe oraz inne ciekawe informacje ze świata przemysłu i nie tylko.

Tagi artykułu

Zobacz również

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę