Прочность и гибкость две противоположности, которые обычно должны быть сбалансированы в стали. Но теперь инженеры из Университета Пердью и Национальной лаборатории Сандия разработали новую обработку, которую можно применять к стальным сплавам, чтобы сделать их одновременно более прочными и пластичными, что может найти множество применений в энергетике и аэрокосмической отрасли.
Прочность — это мера того, насколько большую нагрузку может выдержать материал, прежде чем он выйдет из строя, а пластичность показывает, насколько легко его можно растянуть или удлинить до различных форм. Эти два свойства обычно противоречат друг другу, что приводит к компромиссу, который необходимо делать в зависимости от имеющегося приложения. В металлах все сводится к крошечным зернам, из которых состоит материал. Более крупные зерна лучше деформируются, что обеспечивает лучшую пластичность, в то время как более мелкие могут выдерживать большую нагрузку, повышая прочность.
В новом исследовании ученые разработали обработку стали, которая может лучше сбалансировать прочность и пластичность, регулируя эти зерна. Команда обработала стальной сплав, известный как T-91, чтобы получить новый материал, который они назвали Gradient T-91 (G-T91), который, как следует из названия, имеет градиент размеров зерен повсюду.
Обработка образует тонкий слой ультрамелких металлических зерен от поверхности до глубины примерно 200 микрометров в материале. Зерна снаружи имеют длину менее 100 нанометров, а зерна в центре в 100 раз больше. Это дает G-T91 предел текучести 700 мегапаскалей, что на 36 % больше, чем у необработанного T-91, и пластичность, которая на 50 % выше, чем у T-91.
«В этом красота строения; центр мягкий, поэтому он может поддерживать пластичность, но с введением наноламината поверхность стала намного тверже», — сказал Чжунся Шан, ведущий автор исследования. «Если вы затем создадите этот градиент с крупными зернами в центре и нанозернами на поверхности, они деформируются синергетически. Крупные зерна отвечают за растяжение, а мелкие компенсируют напряжение. И теперь вы можете сделать материал, сочетающий в себе прочность и пластичность».
Чтобы увидеть, как это работает, команда сделала снимки материала с помощью сканирующего электронного микроскопа на разных стадиях приложенной деформации. Обычно сверхмелкие зерна у поверхности ориентированы вертикально, но по мере приложения большего напряжения они начинают приобретать более шаровидную форму, затем поворачиваются и вытягиваются горизонтально. Это позволяет стали деформироваться более эффективно.
Но как именно и почему движутся зерна, остается загадкой, говорит команда. Будущая работа будет посвящена изучению этого вопроса, что может помочь выявить лучшие способы размещения зерен для получения материалов с различными свойствами.
Исследование опубликовано в журнале Science Advances.
