Jednoczesne zwiększenie wytrzymałości i wydłużenia w materiałach metalicznych

Tak jak jedna strona huśtawki podnosi się, a druga opada, w dziedzinie materiałów metalicznych „wytrzymałość” i „wydłużenie” zazwyczaj są ze sobą sprzeczne. Jednak współpracujący zespół POSTECH i Northwestern University wprowadził niedawno przełomową technologię, która poprawia obie właściwości.

Zespół badawczy, w skład którego wchodzą profesor Hyoung Seop Kim z Wyższego Instytutu Technologii Materiałów Żelaznych i Ekologicznych oraz Wydziału Nauki i Inżynierii Materiałów, profesor Yoon–Uk Heo z Instytutu Technologii Materiałów Żelaznych i Ekologicznych oraz dr. kandydat Hyojin Park z Wydziału Nauki i Inżynierii Materiałowej POSTECH współpracował z dr Farahnazem Haftlangiem z Wydziału Nauki i Inżynierii Materiałowej Northwestern University.

Wspólnie zajęli się odwiecznym problemem w badaniach metali: kompromisem między wytrzymałością a wydłużeniem. Ich przełom polega na zaprojektowaniu stopu, który charakteryzuje się zarówno wysoką wytrzymałością, jak i dużym wydłużeniem.

Badanie jest opublikowany w dzienniku Komunikacja przyrodnicza.

Granica plastyczności to minimalne naprężenie, przy którym materiał taki jak metal zaczyna się odkształcać. Aby zwiększyć trwałość materiału i bezpieczeństwo strukturalne, należy zwiększyć jego granicę plastyczności, zazwyczaj poprzez wzmocnienie jego mikrostruktury „wydzieleniami” – drobnymi cząsteczkami osadzonymi w metalu. Jednakże w tym procesie osad często różni się strukturą od metalu nieszlachetnego, co prowadzi do zmniejszenia wydłużenia wraz ze wzrostem wytrzymałości. Ten kompromis pomiędzy „wytrzymałością” a „wydłużeniem” tradycyjnie utrudniał jednoczesne poprawienie obu właściwości.

Zespół profesora POSTECH Hyoung Seop Kima wprowadził nowatorskie podejście do rozwiązania tego problemu, znane jako „rozkład spinodalny”. Proces ten polega na spontanicznym rozdzieleniu roztworu stałego na dwie odrębne fazy, w wyniku czego powstają struktury w skali nano z regularnie rozmieszczonymi atomami.

W tym badaniu miedź (Cu) i aluminium (Al) dodano do stopu o średniej entropii na bazie żelaza, aby wywołać okresowy rozkład spinodalny w nanoskali. Proces ten doprowadził do hartowania spinodalnego, zjawiska zwiększającego odporność na odkształcenia strukturalne. W rezultacie powstała mikrostruktura zwiększa wytrzymałość materiału. Powstała mikrostruktura, o równomiernie rozmieszczonych cechach, skutecznie rozkłada naprężenia w całym materiale. Rozkład ten pomaga zminimalizować miejscowe odkształcenia, zwiększając w ten sposób ogólną wytrzymałość przy jednoczesnym zachowaniu wydłużenia.

Eksperymenty wykazały, że stopy wytworzone metodą zespołu wykazały lepszą integralność strukturalną w porównaniu ze stopami tradycyjnymi, osiągając granicę plastyczności na poziomie 1,1 GPa (gigapaskala). Stanowi to poprawę o 187% w porównaniu ze stopem bez rozkładu spinodalnego. Co ciekawe, nawet przy zwiększonej granicy plastyczności stop zachował prawie takie samo wydłużenie (28,5%) jak poprzednio. Postęp ten umożliwia zarówno poprawę wytrzymałości, jak i wydłużenia.

Profesor POSTECH Hyoung Seop Kim zauważył: „Zbadaliśmy właściwości mechaniczne struktur spinodalnych w stopach o złożonym składzie. Nasza technologia stopów o wysokiej wytrzymałości i dużym wydłużeniu może potencjalnie ulepszyć produkty w różnych gałęziach przemysłu, w tym w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym, energetycznym i elektroniki, czyniąc je lżejszymi i trwalszymi.”