Resistenza e plasticità superiori

Di Purdue University21 agosto 2023

Un nuovo trattamento sulla lega di acciaio T-91 ha prodotto una versione più resistente e duttile denominata G-T91, con grani metallici ultrafini che mostrano superplasticità. Questa scoperta della Purdue University e dei Sandia National Laboratories potrebbe rivoluzionare applicazioni come gli assali delle automobili e i cavi di sospensione, ma il meccanismo esatto rimane un mistero.

A new treatment tested on a high-quality steel alloyA mixture of two metallic elements typically used to give greater strength or higher resistance to corrosion." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> la lega si traduce in notevole resistenza e flessibilità, qualità spesso viste come un compromesso piuttosto che una combinazione. I grani metallici ultrafini che il trattamento prodotto nello strato più esterno di acciaio sembrano allungarsi, ruotare e quindi allungarsi sotto sforzo, conferendo superplasticità in un modo che i ricercatori della Purdue University non riescono a spiegare completamente.

The researchers treated T-91, a modified steel alloy that is used in nuclear and petrochemical applications, but said the treatment could be used in other places where strong, ductile steel would be beneficial, such as cars axles, suspension cables and other structural components. The research, which was conducted in collaboration with Sandia National Laboratories and has been patented, appeared Wednesday, May 31 in Science Advances<em>Science Advances</em> is a peer-reviewed, open-access scientific journal that is published by the American Association for the Advancement of Science (AAAS). It was launched in 2015 and covers a wide range of topics in the natural sciences, including biology, chemistry, earth and environmental sciences, materials science, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Progressi della scienza.

Ancora più intriganti del risultato immediato di una variante più forte e più plastica del T-91 sono le osservazioni fatte a Sandia che mostrano le caratteristiche di quello che il team chiama un “nanolaminato” di grani metallici ultrafini, il trattamento creato in una regione che si estende dal superficie fino ad una profondità di circa 200 micron. Le immagini al microscopio mostrano una deformazione inaspettata dell'acciaio trattato – soprannominato G-T91 (o gradiente T91) – poiché è soggetto a stress crescenti, ha affermato Xinghang Zhang, autore principale e professore presso la School of Materials Engineering di Purdue.

"Si tratta di un processo complesso e la comunità di ricerca non ha mai visto questo fenomeno prima", ha detto Zhang. "Per definizione, il G-T91 mostra superplasticità, ma l'esatto meccanismo che lo consente non è chiaro."

I metalli come l'acciaio possono sembrare monolitici a occhio nudo, ma se ingranditi notevolmente, una barra di metallo si rivela un conglomerato di singoli cristalli chiamati grani. Quando un metallo è sottoposto a sollecitazione, i grani sono in grado di deformarsi in modo tale che la struttura metallica si mantenga senza rompersi, permettendo al metallo di allungarsi e piegarsi. I grani più grandi possono sopportare una deformazione maggiore rispetto ai grani più piccoli, il fondamento di un compromesso fisso tra metalli deformabili a grana grossa e metalli resistenti a grana piccola.

Nel documento di Science Advances, l'autore principale Zhongxia Shang, un ex studente laureato nel laboratorio di Zhang, ha utilizzato sollecitazioni di compressione e taglio per rompere i grani grandi sulla superficie di un campione di T-91 in grani più piccoli. Una sezione trasversale del campione mostra che le dimensioni dei grani aumentano dalla superficie, dove i grani ultrafini più piccoli hanno dimensioni inferiori a 100 nanometri, al centro del materiale, dove i grani sono da 10 a 100 volte più grandi.

Il campione G-T91 modificato aveva un limite di snervamento di circa 700 megapascal, un'unità di stress da tensione, e ha resistito a una deformazione uniforme di circa il 10%, un miglioramento significativo rispetto alla resistenza combinata e alla plasticità che può essere raggiunta con il T-91 standard.