Desarrolla Universidad de Purdue aleación de acero G-T-91 más fuerte y dúctil

21 de agosto de 2023.- Un tratamiento novedoso en la aleación de acero T-91 ha dado como resultado una versión más fuerte y dúctil llamada G-T91, con granos de metal ultrafinos que muestran superplasticidad.

Este descubrimiento de la Universidad de Purdue y los Laboratorios Nacionales Sandia podría revolucionar aplicaciones como ejes de automóviles y cables de suspensión, pero el mecanismo exacto sigue siendo un misterio.

Un nuevo tratamiento probado en una aleación de acero de alta calidad da como resultado una resistencia y flexibilidad notables, cualidades que a menudo se ven como una compensación en lugar de una combinación. Los granos de metal ultrafinos que el tratamiento produce en la capa más externa de acero parecen estirarse, rotar y luego alargarse bajo tensión, confiriendo una superplasticidad de una manera que los investigadores de la Universidad de Purdue no pueden explicar por completo.

Los investigadores trataron T-91, una aleación de acero modificada que se usa en aplicaciones nucleares y petroquímicas, pero dijeron que el tratamiento podría usarse en otros lugares donde el acero fuerte y dúctil sería beneficioso, como ejes de automóviles, cables de suspensión y otros componentes estructurales. . La investigación, que se realizó en colaboración con Sandia National Laboratories y ha sido patentada, apareció el miércoles 31 de mayo en Science Advances .

Más intrigantes incluso que el resultado inmediato de una variante más fuerte y plástica del T-91 son las observaciones realizadas en Sandia que muestran las características de lo que el equipo llama un «nanolaminado» de granos de metal ultrafinos que el tratamiento creó en una región que se extiende desde el superficie hasta una profundidad de unas 200 micras. Las imágenes de microscopía muestran una deformación inesperada del acero tratado, denominado G-T91 (o gradiente T91), ya que está sujeto a un estrés creciente, dijo Xinghang Zhang, autor principal y profesor de la Escuela de Ingeniería de Materiales de Purdue.

“Este es un proceso complejo, y la comunidad de investigación no ha visto este fenómeno antes”, dijo Zhang. “Por definición, el G-T91 muestra superplasticidad, pero el mecanismo exacto que permite esto no está claro”.

Los metales como el acero pueden parecer monolíticos a simple vista, pero cuando se amplían mucho, una barra de metal se revela como un conglomerado de cristales individuales llamados granos. Cuando un metal se somete a tensión, los granos pueden deformarse de tal manera que la estructura metálica se mantiene sin romperse, lo que permite que el metal se estire y doble. Los granos más grandes pueden acomodar una mayor tensión que los granos más pequeños, la base de una compensación fija entre los metales deformables de grano grande y los metales fuertes de grano pequeño.

En el artículo de Science Advances , el autor principal Zhongxia Shang, ex estudiante de posgrado en el laboratorio de Zhang, usó esfuerzos de compresión y cizallamiento para romper granos grandes en la superficie de una muestra T-91 en granos más pequeños. Una sección transversal de la muestra muestra que el tamaño de los granos aumenta desde la superficie, donde los granos ultrafinos más pequeños tienen un tamaño inferior a 100 nanómetros, hacia el centro del material, donde los granos son de 10 a 100 veces más grandes.

La muestra G-T91 modificada tenía un límite elástico de alrededor de 700 megapascales, una unidad de esfuerzo de tensión, y soportó una deformación uniforme de alrededor del 10 %, una mejora significativa con respecto a la fuerza y ​​plasticidad combinadas que se pueden alcanzar con el T-91 estándar.

«Esta es la belleza de la estructura, el centro es suave para que pueda sostener la plasticidad pero, al introducir el nanolaminado, la superficie se ha vuelto mucho más dura», dijo Shang, ahora científico del personal de investigación en el Centro de Nanotecnología Birck de Purdue. “Si luego creas este gradiente, con los granos grandes en el centro y los nanogranos en la superficie, se deforman sinérgicamente. Los granos grandes se encargan del estiramiento y los granos pequeños acomodan el estrés. Y ahora puedes hacer un material que tenga una combinación de resistencia y ductilidad”.

Si bien el equipo de investigación había planteado la hipótesis de que el G-T91 nanoestructurado en gradiente funcionaría mejor que el T-91 estándar, las imágenes de microscopía electrónica de barrido tomadas a intervalos durante las pruebas de tensión revelan un misterio. Las imágenes de difracción de retrodispersión de electrones tomadas con un microscopio electrónico de barrido en Sandia muestran cómo los granos en el nanolaminado del G-T91 cambian a intervalos crecientes de tensión real, una medida de plasticidad, de 0% a 120%. Al comienzo del proceso, los granos son verticales, con una forma que el equipo describe como lenticular. Pero a medida que aumenta la tensión, parecen estirarse en una forma más globular, luego giran y finalmente se alargan horizontalmente.

Zhang dijo que las imágenes muestran la interfaz entre los granos, llamada límite de grano, moviéndose, permitiendo que los granos se estiren y giren y permitiendo que el acero se deforme plásticamente. El equipo obtuvo fondos de la Fundación Nacional de Ciencias para investigar las reglas que rigen este movimiento en los límites de los granos, lo que podría permitir comprender el intrigante comportamiento de deformación de los materiales degradados.

“Si sabemos cómo se mueven y por qué se mueven, tal vez podamos encontrar una mejor manera de organizar los granos. Todavía no sabemos cómo hacerlo, pero ha abierto un potencial muy interesante”, dijo Zhang.

Referencia: «Acero nanoestructurado degradado con plasticidad de tracción superior» por Zhongxia Shang, Tianyi Sun, Jie Ding, Nicholas A. Richter, Nathan M. Heckman, Benjamin C. White, Brad L. Boyce, Khalid Hattar, Haiyan Wang y Xinghang Zhang, 31 de mayo de 2023, Avances científicos .

El estudio fue posible gracias al apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias. La investigación realizada en Sandia fue apoyada por una propuesta de usuario en el Centro de Nanotecnologías Integradas, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencias operada por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. A Zhang y Shang se unieron Tianyi Sun, Jie Ding, Nicholas A. Richter y Haiyan Wang en Purdue, y los investigadores de Sandia Nathan M. Heckman, Benjamin C. White, Brad L. Boyce y Khalid Hattar, quienes recibieron el apoyo de la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía de los Estados Unidos.

Zhang reveló su innovación a la Oficina de Comercialización de Tecnología de la Fundación de Investigación Purdue, que solicitó y recibió una patente para proteger la propiedad intelectual. Los socios de la industria que buscan desarrollar o comercializar más el trabajo pueden comunicarse con Parag Vasekar, psvasekar@prf.org , sobre 2019-ZHAN-68391.

Reportacero