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Aug 16, 2023

Überlegene Festigkeit und Plastizität

Von Purdue University, 21. August 2023 Eine neuartige Behandlung der T-91-Stahllegierung hat zu einer stärkeren und duktileren Version namens G-T91 geführt, mit ultrafeinen Metallkörnern, die Superplastizität zeigen. Das

Von Purdue University, 21. August 2023

Eine neuartige Behandlung der T-91-Stahllegierung hat zu einer stärkeren und duktileren Version namens G-T91 geführt, mit ultrafeinen Metallkörnern, die eine Superplastizität aufweisen. Diese Entdeckung der Purdue University und der Sandia National Laboratories könnte Anwendungen wie Autoachsen und Aufhängungskabel revolutionieren, der genaue Mechanismus bleibt jedoch ein Rätsel.

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"}]"> Legierung führt zu bemerkenswerter Festigkeit und Flexibilität, Eigenschaften, die oft eher als Kompromiss denn als Kombination angesehen werden. 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.

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"}]">Wissenschaftliche Fortschritte.

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 wird, 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 zuvor gesehen“, sagte Zhang. „Per Definition zeigt der G-T91 Superplastizität, aber der genaue Mechanismus, der dies ermöglicht, ist unklar.“

Metalle wie Stahl sehen mit bloßem Auge vielleicht monolithisch aus, doch bei starker Vergrößerung entpuppt sich ein Metallbarren 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 eine Kombination aus Festigkeit und Duktilität aufweist.“

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 und haben eine Form, die das Team als linsenförmig bezeichnet. 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, wie sich die Grenzfläche zwischen den Körnern – die sogenannte Korngrenze – 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 wir das machen sollen, aber es hat ein sehr interessantes Potenzial eröffnet“, sagte Zhang.

Referenz: „Gradienter nanostrukturierter Stahl mit überlegener Zugplastizität“ von Zhongxia Shang, Tianyi Sun, Jie Ding, Nicholas A. Richter, Nathan M. Heckman, Benjamin C. White, Brad L. Boyce, Khalid Hattar, Haiyan Wang und Xinghang Zhang, 31. Mai 2023, Science Advances.DOI: 10.1126/sciadv.add9780

Die Studie wurde mit Unterstützung der National Science Foundation ermöglicht. Die in Sandia durchgeführte Forschung wurde durch einen Benutzervorschlag am Center for Integrated Nanotechnologies unterstützt, einer Benutzereinrichtung des Office of Science, die vom Office of Science des US-Energieministeriums 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 von unterstützt wurden das Büro für grundlegende Energiewissenschaften des US-Energieministeriums.

Zhang gab seine Innovation dem Office of Technology Commercialization der Purdue Research Foundation bekannt, das ein Patent zum Schutz des geistigen Eigentums beantragte und erhielt. Industriepartner, die das Werk weiterentwickeln oder kommerzialisieren möchten, können sich unter der Nummer 2019-ZHAN-68391 an Parag Vasekar, [email protected], wenden.