Исследователи из Университета Пердью (Уэст-Лафейетт, штат Индиана, США) представили новый способ обработки высококачественного стального сплава, добившись за счет этого значительного улучшения его характеристик совокупной прочности и пластичности. Об этом сообщает сайт SciTechDaily. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Новая методика обработки, реализованная учеными лаборатории профессора Синьханя Чжана в Университете Пердью в сотрудничестве с Sandia National Laboratories, позволила модифицировать стальной сплав, обозначаемый маркой T-91, который используется в атомной и нефтехимической промышленности, сделав материал гораздо более прочным и пластичным.
Этому способствовали проделанные в Лаборатории Сандии исследования, позволяющие выявить характеристики особой поверхностной обработки сплава, названной «наноламинированием». Модифицированный стальной сплав, названный G-T91, в итоге получил структуру из ультрамелких металлических зерен, обработанных в области, простирающейся от поверхности материала на глубину до примерно 200 микрон.
Как пояснили специалисты лаборатории Чжана, такие металлы, как сталь, могут выглядеть монолитными для невооруженного глаза, но при большом увеличении металлическая поверхность видится конгломератом отдельных кристаллов, называемых зернами. Когда металл подвергается деформации, зерна способны деформироваться таким образом, что металлическая структура сохраняется без разрыва, что позволяет металлу быть пластичным – растягиваться и изгибаться.
Крупные зерна могут выдерживать большую нагрузку, чем более мелкие, что является основой фиксированных классификаций стальных сплавов – от крупнозернистых деформируемых до мелкозернистых высокопрочных.
Исследователи Университета Пердью использовали эффекты напряжения сжатия и сдвига, чтобы разбить крупные зерна на поверхности образца стандартного Т-91 на более мелкие зерна. Поперечное сечение образца G-T91 показало при исследовании изображений сканирующей электронной микроскопии, что размеры зерен увеличиваются от поверхности, где самые мелкие сверхмелкие зерна имеют размер менее 100 нанометров, к центру материала, где зерна в 10–100 раз больше.
Модифицированный образец G-T91 имел предел текучести около 700 мегапаскалей, единицу напряжения растяжения, и выдерживал равномерную деформацию около 10%, что является значительным улучшением по сравнению с совокупной прочностью и пластичностью, которые могут быть достигнуты со стандартным сплавом марки T-91.
Изображения дифракции обратно рассеянных электронов, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа в Sandia National Laboratories, показали, как зерна в наноламинате G-T91 изменяются при увеличении интервалов истинной деформации (меры пластичности) от 0% до 120%. В начале процесса зерна имеют вертикальную форму, которую команда описывает как линзовидную. Но по мере увеличения напряжения они слегка вытягиваются в более шаровидную форму, затем вращаются и, наконец, вытягиваются горизонтально.
Профессор Чжан уточнил, что изображения образца G-T91 показывают границу раздела зерен движущейся, позволяя зернам растягиваться и вращаться, а самой стали пластически деформироваться. «Если мы узнаем, как и за счет чего сдвигается граница раздела зерен, возможно, мы сможем найти лучший способ упорядочить зерна. Мы еще не знаем, как это сделать, но это явление открыло очень интересный потенциал для создания более совершенных материалов», – сказал Чжан.