Найден способ сделать стальные сплавы одновременно и прочнее, и более гибкими
Прочность — это мера того, насколько большую нагрузку может выдержать материал, прежде чем он выйдет из строя. Пластичность показывает, насколько легко его можно растянуть или удлинить до различных форм. Два этих 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 за счет корректировки этих зерен. Команда обработала стальной сплав, известный как T-91, для получения нового материала, который они назвали Gradient T-91 (G-T91), который, кстати, обладает градиентом зерен.
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% лучше, чем у необработанного T-91, и пластичность, которая на 50% выше, чем у T-91.
«В этом красота конструкции: центр мягкий, поэтому он может поддерживать пластичность, но с введением наноламината поверхность стала намного тверже», — рассказал 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 более эффективно деформироваться.
Но как именно и почему зерна движутся, остается загадкой. Ученые планируют более серьезное исследование, которое помочь найти лучшие способы расположения зерен для создания материалов с различными свойствами.