Projekt super jekla, ki ga je vodil profesor Huang Mingxin na oddelku za strojništvo Univerze v Hong Kongu (HKU), s sodelavci v Nacionalnem laboratoriju Lawrence Berkeley (LBNL), je naredil pomemben preboj v razvoju novega super jekla D&P (proizvedeno z uporabo novih metod deformacije in deljenja), ki močno poveča odpornost proti zlomu, obenem pa ohrani izjemno močno trdnost za napredne industrijske namene.
Odkritja so bila objavljena v reviji Science 8. maja 2020 v prispevku z naslovom “Do ultramočnega jekla z delaminacijo”.
Jeklo je zlitina, ki jo že dolgo poznamo. Znanstveniki in inženirji materialov pa nenehno iščejo možnosti za razvoj jeklenih materialov nove generacije, ki bi jih bilo lažje raztegovati in podaljšati (duktilnost) v različne oblike in strukture, z večjo odpornostjo na deformacije (trdnost) in zlom (žilavost), ki bi bili lažji in bi imeli nižje proizvodne stroške.
Naloga je bila težka. Uveljavljeno je stališče, da zvišanje zmogljivosti ene izmed posameznih lastnosti kovine, trdnosti, duktilnosti ali žilavosti, negativno vpliva na eno ali celo več drugih. S povečanjem trdnosti bo na primer kovina neizogibno postala bolj krhka (znana kot obratno sorazmerje trdnosti in krhkosti), ali manj prožna, da bi se lahko dobro raztegovala ali vlekle v različne oblike (kompromis med trdnostjo in duktilnostjo).
“V tem zadnjem dosežku v zvezi s super D&P jeklom smo dosegli izjemno kombinacijo trdnosti in žilavosti, ki se lahko uspešno spopada z velikim izzivom v varnostno pomembnih industrijskih aplikacijah, kjer je potrebno doseči izjemno visoko žilavost loma, da se s tem prepreči katastrofalni prezgodnji zlom strukturnih materialov. Novo odkritje spreminja tudi uveljavljeno stališče, da lahko visoko trdnost dosežemo le na račun poslabšanja žilavosti, kar nenehno vodi v krčenje nabora primernih konstrukcijskih materialov in močno omejuje njihovo uporabo, “je dejal profesor Huang.
Ekipa je že pred tem znatno dvignila trdnost in žilavost D&P (opomba 1) jekla, zato je super D&P jeklo na izjemno visoki ravni doseglo odlične zmogljivosti vseh treh kovinskih lastnosti, ki je doslej niso dosegli še z nobenim jeklenim materialom.
V zvezi z novo zlitino je bilo prijavljenih več patentov v ZDA, EU in na Kitajskem. Ekipa se povezuje z industrijskimi partnerji, da bi ustvarila prototipe močnega kabla za viseče mostove, neprebojnega jopiča in avtomobilskih vzmeti z super jeklom za nadaljnje preizkuse in testno vgradnjo. Najnovejše odkritje v z novim D&P jeklom je bilo narejeno v sodelovanju z raziskovalno skupino profesorja Roberta O. Ritchieja iz Nacionalnega laboratorija Lawrence Berkeley (LBNL) in UC Berkeley, s katerim dosežejo odpornost jekla proti deformaciji ~ 2GPa, vrhunsko žilavost pri lomu 102MPam½ in dobro enakomernost raztezanja, ki znaša 19%.
Ekipi je prav tako uspelo pomembno znanstveno odkritje v sami strukturi super D&P jekla. Super jeklo ima edinstveno lastnost ob lomu, ob kateri se pod glavno zlomno površino tvori več mikro razpok in sicer z novim mehanizmom zategovanja z “močno trdnostjo, ki ga povzroči večkratna delaminacija”. Te mikro razpoke lahko učinkovito absorbirajo energijo, ki jih povzročajo zunanje sile, kar ima za posledico veliko večjo odpornost tega novega jekla v primerjavi z obstoječimi jeklenimi materiali.
Trenutno imajo visoko trdna jekla za kable visečih mostov trdnost nižjo od 1,7 GPa ~ in lomno žilavost nižjo od 65 MPa m½; jeklo z visoko trdnostjo, ki se uporablja v oklepnih avtomobilih, ima zato podobno kombinacijo največje trdnosti in žilavosti. Raven žilavosti, ki jo je mogoče doseči z jeklom D&P, je zato precej višja kot pri obstoječih jeklenih materialih, hkrati pa ohranja izjemno trdnost.
Jeklena klavirska žica ima na primer izjemno visoko trdnost, ki sega od 2,6 do 2,9 GPa, da je kos deformacijam in ohranja uglašenost inštrumenta, kar pa se lahko doseže le na račun žilavosti in je posledično zato zelo krhka.
Zanimiv je podatek, da stroški surovin za proizvodnjo D&P jekla znašajo le 20% tistih za jeklo, ki se trenutno uporablja v letalski industriji (nna primer razred 300, katerega trdnost in odpornost na porušenje znašata 1,8 GPa oziroma 70 MPa m½).
” D&P jeklo ima še druge prednosti, kot sta preprosta industrijska predelava in nizki stroški surovin. Pridobiti jih je mogoče z običajnimi postopki valjanja in žarenja, saj niso potrebni kakšni zapleteni tehnološki postopki ali posebna oprema,” je dejala prva avtorica članka v reviji in študentka doktorata znanosti gospodična Li Liu pod mentorstvom profesorja Huanga.
“Naredili smo velik korak k industrializaciji novega super jekla. To je velik potencial, ki ga je mogoče uporabiti v različnih aplikacijah, vključno z vrhunskimi neprebojnimi jopiči, kabli za viseče mostove, lahkimi avtomobili in vojaškimi vozili, v letalski industriji ter za vijake in matice z visoko trdnostjo za gradbeno industrijo,” je dodal profesor Huang.
Vir:
https://phys.org/news/2020-05-super-steel-major-breakthrough.html
Avtor: Univerza v Hong Kongu
https://phys.org/
