Eine neue Behandlung, die an einer hochwertigen Stahllegierung getestet wurde, erzeugt außergewöhnliche 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. Sie sagten jedoch, die Behandlung könne auch an anderen Orten eingesetzt werden, an denen starker, duktiler Stahl von Vorteil wäre, beispielsweise bei Autoachsen, Aufhängungskabeln und anderen Strukturkomponenten . Die Forschung, die in Zusammenarbeit mit Sandia National Laboratories durchgeführt wurde und patentiert wurde, erschien am Mittwoch, 31. Mai, in 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 Mikrometern. Mikroskopbilder zeigen eine unerwartete Verformung des behandelten Stahls – G-T91 (oder Gradient T91) genannt –, während er zunehmender Belastung ausgesetzt ist, sagte Xinghang Zhang, Hauptautor und Professor an der School of Materials Engineering in Purdue.
„Dies ist ein komplexer Prozess, und die Forschungsgemeinschaft hat dieses Phänomen noch nie gesehen“, sagte Zhang. „Per Definition zeigt der G-T91 Superplastizität, aber der genaue Mechanismus, der dies ermöglicht, ist unklar.“
Metalle wie Stahl mögen mit bloßem Auge monolithisch aussehen, bei starker Vergrößerung zeigt sich ein Metallbarren jedoch als Ansammlung einzelner Kristalle, sogenannter 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 Studie „Science Advances“ nutzte die Hauptautorin Zhongxia Shang, eine ehemalige Doktorandin in Zhangs Labor, 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 weniger als 100 Nanometer groß sind, in die Mitte des Materials zunimmt, wo die Körner 10 bis 100 Mal größer sind.
Die modifizierte G-T91-Probe hatte eine Streckgrenze von etwa 700 Megapascal, einer Spannungseinheit, und hielt einer gleichmäßigen Dehnung von etwa 10 % stand, eine deutliche Verbesserung gegenüber der kombinierten Festigkeit und Plastizität, die mit Standard-T-91 erreicht werden kann.
„Das ist das Schöne an der Struktur. Das Zentrum ist weich, sodass es die Plastizität aufrechterhalten kann, aber durch die Einführung des Nanolaminats ist die Oberfläche viel härter geworden“, sagte Shang, jetzt wissenschaftlicher Mitarbeiter am Birck Nanotechnology Center in Purdue. „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.“ hat eine Kombination aus Festigkeit und Duktilität.“
Während das Forschungsteam die Hypothese aufgestellt hatte, dass das nanostrukturierte Gradienten-G-T91 eine bessere Leistung erbringen würde als das Standard-T-91, offenbaren Rasterelektronenmikroskopbilder, die in regelmäßigen Abständen während der Spannungsprüfung aufgenommen wurden, ein Rätsel. Mit einem Rasterelektronenmikroskop in Sandia aufgenommene Elektronenrückstreubeugungsbilder zeigen, wie sich die Körner im Nanolaminat des G-T91 mit zunehmenden Intervallen der wahren Dehnung, einem Maß für die Plastizität, von 0 % bis 120 % verändern. Zu Beginn des Prozesses sind die Körner vertikal, mit einer Form, die das Team als linsenförmig beschreibt. Mit zunehmender Belastung scheinen sie sich jedoch in eine eher kugelförmige Form auszudehnen, sich dann zu drehen und schließlich horizontal auszudehnen.
Zhang sagte, die Bilder zeigen die Grenzfläche zwischen den Körnern – die so genannte Korngrenze –, die sich bewegt, wodurch sich die Körner ausdehnen und drehen und sich der Stahl selbst plastisch verformen kann. Das Team hat sich Mittel der National Science Foundation gesichert, um die Regeln zu untersuchen, die diese Bewegung in den Korngrenzen regeln, was es ermöglichen könnte, das faszinierende Verformungsverhalten von Gradientenmaterialien zu verstehen.
„Wenn wir wissen, wie sie sich bewegen und warum sie sich bewegen, können wir vielleicht einen besseren Weg finden, die Körner anzuordnen. Wir wissen noch nicht, wie das geht, aber es hat ein sehr interessantes Potenzial eröffnet“, sagte Zhang.
„Gradient Nanostructure Steel With Superior Tensile Plasticity“ wurde mit Unterstützung der National Science Foundation ermöglicht. Die bei Sandia durchgeführten Forschungsarbeiten wurden durch einen Benutzervorschlag am Center for Integrated Nanotechnologies unterstützt, einer Benutzereinrichtung des Office of Science, die für das US-Energieministerium, Office of Science, betrieben wird. Zu Zhang und Shang gesellten sich Tianyi Sun, Jie Ding, Nicholas A. Richter und Haiyan Wang von Purdue sowie die Sandia-Forscher Nathan M. Heckman, Benjamin C. White, Brad L. Boyce und Khalid Hattar, die vom US-Ministerium unterstützt wurden Büro für grundlegende Energiewissenschaften.
