Исследователи из Университета Брауна и университетов Китая нашли простой способ упрочнения стали без ущерба для пластичности. Новая технология, описанная в Nature Communications, может позволить производить сталь, которая лучше работает в ряде структурных приложений.Прочность и пластичность являются важнейшими свойствами материала, особенно материалов, используемых в конструкциях. Прочность — это мера того, сколько силы требуется, чтобы заставить материал изгибаться или деформироваться.
Пластичность — это мера того, насколько материал может растянуться без разрушения. Материал, которому не хватает прочности, будет быстро уставать, постепенно разрушаясь.
Материал, которому не хватает пластичности, может расколоться, что приведет к внезапному и катастрофическому разрушению.Сталь — один из редких материалов, который одновременно является прочным и пластичным, поэтому он повсеместно используется в качестве конструкционного материала. Однако, насколько хороша сталь, инженеры постоянно работают над ее улучшением. Проблема в том, что методы повышения прочности стали имеют тенденцию жертвовать пластичностью, и наоборот.
«Мы называем это компромиссом между прочностью и пластичностью», — сказал Хуацзянь Гао, профессор инженерных наук Брауна и старший автор этого нового исследования. Он и его коллеги нашли способ обойти этот компромисс в цилиндрах, изготовленных из особого вида стали, называемой сталью с двойниковой пластичностью (TWIP).Сталь TWIP можно сделать более прочной благодаря так называемому механическому упрочнению. Деформационное упрочнение — это процесс упрочнения стали путем ее деформации — сгибания, сплющивания или ударов молотком по кузнице.
Когда сталь TWIP деформируется, в ее атомной решетке образуются наноразмерные структуры, называемые двойниками деформации. Двойники деформации представляют собой линейные границы с идентичными кристаллическими структурами с обеих сторон, образующими зеркальное отображение на границе. Известно, что двойные конструкции делают сталь TWIP намного прочнее, но, как и другие способы упрочнения стали, существует компромисс с пластичностью.Чтобы избежать этого компромисса, Гао и его коллеги буквально ввели новый поворот в процессе деформации.
Вместо того чтобы деформировать сталь, забивая ее молотком или сгибая, Гао и его коллеги взяли маленькие цилиндры из стали TWIP и скрутили их. Скручивающее движение заставляет молекулы во внешних частях цилиндра деформироваться в гораздо большей степени, чем молекулы по направлению к сердцевине. Идея немного похожа на бегунов на беговой дорожке.
У бегунов по внешним дорожкам больше возможностей для покрытия, чем у бегунов по внутренней.Поскольку вращательное движение деформирует внешнюю сторону больше, чем внутреннюю, двойники деформации образуются только по направлению к поверхности цилиндра. Ядро остается практически нетронутым.В результате получается стальной цилиндр, сочетающий в себе лучшее из обоих миров — поверхность цилиндра становится более прочной и устойчивой к растрескиванию, а внутренняя часть сохраняет свою первоначальную пластичность.
«По сути, мы разделили материал на твердую часть у поверхности и более мягкую часть у сердцевины», — сказал Гао. «Это позволило нам удвоить прочность без ущерба для пластичности».Работа в лаборатории велась с очень маленькими цилиндрами — длиной порядка сантиметров. Однако, по словам Гао, ничто не указывает на то, что процесс нельзя масштабировать до более крупных цилиндров.В конце концов, Гао и его коллега надеются, что их метод может быть использован для предварительной обработки стали, которая требует цилиндрической формы — например, осей или приводных валов автомобилей.
В частности, Гао считает, что торсионная сталь является хорошим вариантом для осей высокоскоростных поездов.«Очень важно иметь высокую прочность и высокую пластичность для такого компонента оси», — сказал Гао. «Поэтому в такой системе очень важно максимально расширить предел прочности и пластичности».
Соавторами Гао в работе были Юйцзе Вэй (ведущий автор и бывший научный сотрудник Brown), Юнцян Ли, Ляньчунь Чжу, Яо Лю и Сяньци Лэй из Лаборатории нелинейной механики Института механики Китайской академии наук; Ганг Ван из лаборатории микроструктур Шанхайского университета; Яньсинь Ву и Чжэньли Ми из Университета науки и технологий, Пекин; и Цзябинь Лю и Хунтао Ван из Чжэцзянского университета.