Il professor Huang Mingxin mostra un pezzo sottile e leggero di super acciaio che dimostra un altissimo livello di resistenza alla frattura, forza e duttilità. Credito:Università di Hong Kong
Il progetto Super Steel guidato dal Professor Huang Mingxin presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell'Università di Hong Kong (HKU), con i collaboratori del Lawrence Berkeley National Lab (LBNL), ha fatto un importante passo avanti nel suo nuovo acciaio Super D&P (prodotto utilizzando un nuovo metodo deformato e divisorio) per migliorare notevolmente la sua resistenza alla frattura pur mantenendo una resistenza super forte per applicazioni industriali avanzate.
I risultati sono stati pubblicati in Scienza l'8 maggio 2020 nell'articolo intitolato "Rendere l'acciaio ultraresistente duro con la delaminazione dei bordi del grano".
L'acciaio è una lega comune. Gli scienziati e gli ingegneri dei materiali cercano continuamente di sviluppare materiali in acciaio di nuova generazione che siano più facili da estendere e allungare (duttilità) in diverse forme e strutture, maggiore resistenza alla deformazione (resistenza) e alla frattura (tenacità), leggero e a basso costo di produzione.
Il compito è stato difficile. La visione convenzionale è che aumentare le prestazioni di una proprietà metallica, se in forza, duttilità o tenacità, minerà uno o più degli altri. Per esempio, un aumento della forza renderà inevitabilmente il metallo più fragile (noto come compromesso forza-tenacità); o meno flessibile per essere esteso o allungato in forme diverse. (compromesso resistenza-duttilità).
"In questa ultima svolta nell'acciaio super D&P, abbiamo ottenuto una combinazione di resistenza e tenacità senza precedenti che può affrontare una sfida importante nelle applicazioni industriali critiche per la sicurezza:raggiungere una tenacità alla frattura estremamente elevata in modo da prevenire la frattura prematura catastrofica dei materiali strutturali. La svolta cambia anche la visione convenzionale secondo cui il raggiungimento di un'elevata resistenza andrà a scapito del deterioramento della tenacità, che porta invariabilmente all'infragilimento dei materiali strutturali e limita notevolmente la loro applicazione, ", ha detto il professor Huang.
Il team aveva precedentemente aumentato in modo significativo le prestazioni di resistenza e duttilità dell'acciaio D&P (Nota 1), l'acciaio super D&P raggiunge quindi prestazioni eccellenti in tutte e tre le proprietà metalliche a un livello senza precedenti mai raggiunto da nessun materiale in acciaio prima.
(A) Resistenza allo snervamento-tenacità e (B) Allungamento uniforme della resistenza allo snervamento dell'attuale acciaio D&P innovativo rispetto ad altri materiali metallici ad alta resistenza esistenti. L'acciaio D&P ha dimostrato la migliore combinazione di resistenza allo snervamento, tenacità e allungamento uniforme. Credito:Università di Hong Kong
Diversi brevetti negli Stati Uniti, Ue e Cina sono state depositate. Il team ha collaborato con partner industriali per generare prototipi di cavi per ponti ad alta resistenza, giubbotto antiproiettile e molla per auto con il super acciaio per ulteriori prove e prove da condurre. L'ultima svolta nell'acciaio D&P, realizzato in collaborazione con il team di ricerca del professor Robert O. Ritchie presso il Lawrence Berkeley National Lab (LBNL) e UC Berkeley, determina nell'acciaio una resistenza allo snervamento contro la deformazione di ~2GPa, una resistenza alla frattura superiore di 102MPam½, e un buon allungamento uniforme del 19%.
Il team ha anche fatto un'importante scoperta scientifica nella struttura dell'acciaio super D&P. Il super acciaio ha una caratteristica di frattura unica in cui si formano più microcricche sotto la superficie di frattura principale, attraverso un nuovo meccanismo di tempra "multi-delaminazione indotta ad alta resistenza". Queste microfratture possono assorbire efficacemente energia da forze applicate dall'esterno, con conseguente resistenza alla tenacità molto più elevata dell'acciaio rispetto ai materiali in acciaio esistenti.
Attualmente, l'acciaio ad alta resistenza per cavi da ponte ha un carico di snervamento inferiore a 1,7 GPa ~, e una tenacità alla frattura inferiore a 65 MPa m½; l'acciaio corazzato ad alta resistenza utilizzato nelle auto blindate ha una combinazione di resistenza e tenacità massima simile. Il livello di tenacità che può essere raggiunto dall'acciaio D&P è quindi molto più alto di quello dei materiali in acciaio esistenti, pur mantenendo una forza super forte.
Filo di pianoforte in acciaio, ad esempio, ha una resistenza ultraelevata che va da 2,6 a 2,9 GPa per resistere alla deformazione e per mantenere lo strumento in sintonia, che si ottiene a scapito della tenacità ed è a sua volta molto fragile.
Nel frattempo, il costo delle materie prime dell'acciaio D&P è solo il 20% dell'acciaio Maraging attualmente utilizzato nel settore aerospaziale (ad es. Grado 300, la cui resistenza allo snervamento e tenacità all'inizio della frattura sono 1,8 GPa e 70 MPa m½, rispettivamente).
"L'acciaio D&P presenta altri vantaggi come la semplice lavorazione industriale e il basso costo delle materie prime. Può essere prodotto mediante processi di laminazione e ricottura convenzionali, in quanto tale non sono necessari percorsi di fabbricazione complessi e attrezzature speciali, " disse la signorina Li Liu, il primo autore dell'articolo di giornale e un dottorato di ricerca. studente supervisionato dal professor Huang.
"Abbiamo fatto un grande passo avanti verso l'industrializzazione del nuovo super acciaio. Dimostra un grande potenziale per essere utilizzato in varie applicazioni tra cui giubbotti antiproiettile di qualità superiore, cavi del ponte, automobili leggere e veicoli militari, aerospaziale, e bulloni e dadi ad alta resistenza nel settore delle costruzioni." ha aggiunto il professor Huang.
