Durch die Behandlung entstehen Stahllegierungen mit überlegener Festigkeit und Plastizität

Eine neue Behandlung, die an einer hochwertigen Stahllegierung getestet wurde, führt zu einer überdurchschnittlichen Festigkeit und Plastizität, zwei Eigenschaften, die normalerweise eher ausbalanciert als kombiniert werden müssen.

Ultrafeine Metallkörner, die durch die Behandlung in der äußersten Stahlschicht erzeugt werden, scheinen sich unter Belastung zu dehnen, zu drehen und dann zu verlängern, was ihnen auf eine Weise Superplastizität verleiht, die Forscher der Purdue University nicht vollständig erklären können.

Die Forscher behandelten T-91, eine modifizierte Stahllegierung, die in nuklearen und petrochemischen Anwendungen verwendet wird, sagten jedoch, dass die Behandlung auch an anderen Orten eingesetzt werden könnte, an denen starker, duktiler Stahl von Vorteil wäre, etwa bei Autoachsen, Aufhängungskabeln und anderen Strukturkomponenten . Der Artikel „Gradient nanostructured Steel with Superior Tensible Plasticity“, der die patentierte Forschung dokumentiert, die in Zusammenarbeit mit Sandia National Laboratories durchgeführt wurde, erschien in der Zeitschrift Science Advances.

Noch faszinierender als das unmittelbare Ergebnis einer stärkeren, plastischeren Variante von T-91 sind die in Sandia gemachten Beobachtungen, die Merkmale dessen zeigen, was das Team ein „Nanolaminat“ aus ultrafeinen Metallkörnern nennt, die durch die Behandlung in einem Bereich entstanden sind, der sich von dort aus erstreckt Oberfläche bis zu einer Tiefe von etwa 200 µm.

Metalle wie Stahl sehen mit bloßem Auge monolithisch aus, doch bei starker Vergrößerung entpuppt sich ein Metallbarren als Ansammlung einzelner Körner. Wenn ein Metall einer Belastung ausgesetzt wird, können sich die Körner so verformen, dass die Metallstruktur erhalten bleibt, ohne zu reißen, wodurch sich das Metall dehnen und biegen kann. Größere Körner können einer größeren Belastung standhalten als kleinere Körner, was die Grundlage für einen festen Kompromiss zwischen großkörnigen verformbaren Metallen und kleinkörnigen starken Metallen bildet.

In der Arbeit verwendete Hauptautorin Zhongxia Shang Druck- und Scherspannungen, um große Körner an der Oberfläche einer T-91-Probe in kleinere Körner aufzubrechen. Ein Querschnitt der Probe zeigt, dass die Korngröße von der Oberfläche, wo die kleinsten ultrafeinen Körner eine Größe von weniger als 100 nm haben, in die Mitte des Materials zunimmt, wo die Körner 10 bis 100 Mal größer sind.

Die modifizierte Probe mit der Bezeichnung G-T91 hatte eine Streckgrenze von etwa 700 MPa, einer Spannungseinheit, und hielt einer gleichmäßigen Dehnung von etwa 10 Prozent stand, eine deutliche Verbesserung gegenüber der kombinierten Festigkeit und Plastizität, die mit Standardproben erreicht werden kann T-91.

„Das ist die Schönheit der Struktur; Die Mitte ist weich, sodass sie die Plastizität beibehalten kann, aber durch die Einführung des Nanolaminats ist die Oberfläche viel härter geworden“, sagte Shang. „Wenn man dann diesen Gradienten erzeugt, mit den großen Körnern in der Mitte und den Nanokörnern an der Oberfläche, verformen sie sich synergetisch. Die großen Körner sorgen für die Dehnung und die kleinen Körner nehmen die Spannung auf. Und jetzt können Sie ein Material herstellen, das eine Kombination aus Festigkeit und Duktilität aufweist.“