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Jun 16, 2023

Neue Behandlung macht Stahllegierungen sowohl stärker als auch flexibler

Stärke und Flexibilität sind zwei Gegensätze, die normalerweise ausgeglichen werden müssen

Festigkeit und Flexibilität sind zwei Gegensätze, die bei Stahl normalerweise ausgeglichen werden müssen. Doch jetzt haben Ingenieure der Purdue University und der Sandia National Labs eine neue Behandlung entwickelt, die auf Stahllegierungen angewendet werden kann, um sie gleichzeitig fester und duktiler zu machen, was vielfältige Einsatzmöglichkeiten in der Energie- und Luft- und Raumfahrtindustrie haben könnte.

Festigkeit ist ein Maß dafür, wie viel Belastung ein Material aushalten kann, bevor es versagt, während Duktilität misst, wie leicht es sich in verschiedene Formen ausdehnen oder verlängern lässt. Diese beiden Eigenschaften stehen normalerweise im Widerspruch zueinander, was zu einem Kompromiss führt, der je nach Anwendung getroffen werden muss. Bei Metallen kommt es auf die winzigen Körner an, aus denen das Material besteht. Größere Körner lassen sich besser verformen, um eine bessere Duktilität zu ermöglichen, während kleinere Körner mehr Belastungen aushalten und so die Festigkeit erhöhen.

In einer neuen Studie haben Wissenschaftler eine Behandlung für Stahl entwickelt, die durch Anpassung dieser Körner ein besseres Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Duktilität ermöglicht. Das Team behandelte eine Stahllegierung namens T-91, um ein neues Material namens Gradient T-91 (G-T91) herzustellen, das, wie der Name schon sagt, durchgehend einen Gradienten der Korngrößen aufweist.

Durch die Behandlung entsteht eine dünne Schicht ultrafeiner Metallkörner von der Oberfläche bis zu einer Tiefe von etwa 200 Mikrometern im Material. Die Körner an der Außenseite sind weniger als 100 Nanometer lang, während die im Inneren bis zu 100 Mal größer sind. Dies verleiht G-T91 eine Streckgrenze von 700 Megapascal – eine Verbesserung um 36 % gegenüber unbehandeltem T-91 – und eine um 50 % bessere Plastizität als T-91.

„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 Zhongxia Shang, Hauptautorin der Studie. „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.“

Um zu sehen, wie das funktioniert, machte das Team Rasterelektronenmikroskopbilder des Materials in verschiedenen Stadien der angelegten Spannung. Normalerweise sind die ultrafeinen Körner in der Nähe der Oberfläche vertikal ausgerichtet, aber je stärker die Belastung ausgeübt wird, desto mehr kugelförmige Form nehmen sie an, drehen sich dann und dehnen sich horizontal aus. Dadurch kann sich der Stahl effektiver verformen.

Aber genau wie und warum sich die Körner bewegen, bleibt ein Rätsel, sagt das Team. Zukünftige Arbeiten werden dies untersuchen und dabei helfen, bessere Möglichkeiten zur Anordnung der Körner zu finden, um Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften herzustellen.

Die Forschung wurde in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.

Quelle: Purdue University