Обработка позволяет получить стальные сплавы с превосходной прочностью и пластичностью.

Новая обработка, испытанная на высококачественном стальном сплаве, обеспечивает более высокие, чем обычно, прочность и пластичность — два качества, которые обычно должны быть сбалансированы, а не объединены.

Сверхмелкие металлические зерна, образующиеся в результате обработки в самом внешнем слое стали, по-видимому, растягиваются, вращаются, а затем удлиняются под действием напряжения, придавая сверхпластичность, которую исследователи из Университета Пердью не могут полностью объяснить.

Исследователи обработали Т-91, модифицированный стальной сплав, который используется в ядерной и нефтехимической промышленности, но заявили, что эту обработку можно использовать и в других местах, где будет полезна прочная, пластичная сталь, например, в автомобильных осях, подвесных тросах и других компонентах конструкции. . В журнале Science Advances появилась статья «Градиентная наноструктурированная сталь с превосходной пластичностью при растяжении», в которой документированы запатентованные исследования, проведенные в сотрудничестве с Sandia National Laboratories.

Еще более интригующими, чем непосредственный результат более прочного и пластичного варианта Т-91, являются наблюдения, сделанные в Сандии, показывающие характеристики того, что команда называет «наноламинатом» из ультрамелких металлических зерен, обработанных в регионе, простирающемся от поверхности на глубину около 200 мкм.

Металлы, такие как сталь, кажутся монолитными невооруженным глазом, но при сильном увеличении металлический стержень оказывается скоплением отдельных зерен. Когда металл подвергается деформации, зерна могут деформироваться таким образом, что металлическая структура сохраняется без разрушения, что позволяет металлу растягиваться и изгибаться. Зерна большего размера могут выдерживать большую нагрузку, чем зерна меньшего размера, что является основой для постоянного компромисса между деформируемыми металлами с крупным зерном и прочными металлами с мелким зерном.

В своей статье ведущий автор Чжунся Шан использовал напряжения сжатия и сдвига, чтобы разбить крупные зерна на поверхности образца Т-91 на более мелкие зерна. Поперечное сечение образца показывает, что размеры зерен увеличиваются от поверхности, где самые мелкие ультрамелкие зерна имеют размер менее 100 нм, к центру материала, где зерна в 10–100 раз больше.

Модифицированный образец, получивший название G-T91, имел предел текучести около 700 МПа (единица напряжения растяжения) и выдерживал равномерную деформацию около 10 процентов, что является значительным улучшением по сравнению с совокупной прочностью и пластичностью, которые могут быть достигнуты стандартными образцами. Т-91.

«В этом красота строения; центр мягкий, поэтому он может сохранять пластичность, но благодаря добавлению наноламината поверхность стала намного жестче», — сказал Шан. «Если вы затем создадите этот градиент с большими зернами в центре и нанозернами на поверхности, они синергетически деформируются. Крупные зерна отвечают за растяжение, а мелкие – за напряжение. И теперь вы можете создать материал, сочетающий в себе прочность и пластичность».