Phương pháp tạo ra hợp kim thép có độ bền và độ dẻo vượt trội

Các kim loại như thép có thể trông nguyên khối khi nhìn bằng mắt thường, nhưng khi phóng to lên rất nhiều, thanh kim loại sẽ lộ ra là một tập hợp các tinh thể riêng lẻ gọi là hạt. Khi kim loại chịu biến dạng, các hạt có thể biến dạng sao cho cấu trúc kim loại được duy trì mà không bị vỡ, cho phép kim loại giãn ra và uốn cong. Các hạt lớn hơn có thể chịu được sức căng lớn hơn các hạt nhỏ hơn, nền tảng cho sự cân bằng cố định giữa kim loại có thể biến dạng hạt lớn và kim loại bền hạt nhỏ. Độ bền là thước đo mức độ tải trọng mà vật liệu có thể chịu được trước khi nó bị hỏng, trong khi độ dẻo đo lường mức độ dễ dàng kéo dài hoặc kéo dài thành các hình dạng khác nhau. Hai thuộc tính này thường xung đột với nhau, dẫn đến sự đánh đổi cần phải được thực hiện tùy thuộc vào ứng dụng hiện có. Trong kim loại, tất cả đều bắt nguồn từ những hạt nhỏ tạo nên vật liệu. Các hạt lớn hơn có khả năng biến dạng tốt hơn để có độ dẻo tốt hơn, trong khi những hạt nhỏ hơn có thể chịu được sức căng nhiều hơn, tăng cường độ bền.

Trong một nghiên cứu mới, các nhà khoa học đã phát triển một phương pháp xử lý thép có thể cân bằng tốt hơn độ bền và độ dẻo bằng cách điều chỉnh các thớ này. Nhóm nghiên cứu đã xử lý một hợp kim thép có tên là T-91 để tạo ra một loại vật liệu mới mà họ gọi là gradient T-91 (G-T91), đúng như tên gọi, có độ dốc kích thước hạt xuyên suốt.

Quá trình xử lý tạo thành một lớp mỏng các hạt kim loại siêu mịn từ bề mặt xuống khoảng 200 micromet vào vật liệu. Các hạt ở bên ngoài có chiều dài chưa đến 100 nanomet, trong khi các hạt ở trung tâm lớn hơn tới 100 lần. Điều này mang lại cho G-T91 cường độ năng suất 700 megapascal – cải thiện 36% so với T-91 chưa được xử lý – và độ dẻo tốt hơn 50% so với T-91.

Tác giả chính của nghiên cứu cho biết, phần trung tâm mềm nên có thể duy trì độ dẻo nhưng bằng cách sử dụng nanolaminate, bề mặt đã trở nên cứng hơn nhiều. "Sau đó, nếu bạn tạo độ dốc này, với các hạt lớn ở trung tâm và các hạt nano trên bề mặt, chúng sẽ biến dạng hiệp đồng. Các hạt lớn chịu trách nhiệm kéo dài và các hạt nhỏ chịu đựng sự căng thẳng. Và bây giờ bạn có thể tạo ra một loại vật liệu có sự kết hợp giữa độ bền và độ dẻo."

Để xem điều này hoạt động như thế nào, nhóm nghiên cứu đã chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét của vật liệu ở các giai đoạn biến dạng khác nhau. Thông thường, các hạt siêu mịn gần bề mặt được định hướng theo chiều dọc, nhưng khi bị căng nhiều hơn, chúng bắt đầu có hình cầu hơn, sau đó xoay và kéo dài theo chiều ngang. Điều này cho phép thép biến dạng hiệu quả hơn. Đội nghiên cứu đã nhận được nguồn tài trợ từ Quỹ Khoa học Quốc gia để nghiên cứu các quy tắc chi phối chuyển động này trong các ranh giới hạt, điều này có thể giúp hiểu được hành vi biến dạng hấp dẫn của các vật liệu gradient.

Nhưng chính xác làm thế nào và tại sao các hạt di chuyển vẫn còn là một bí ẩn, nhóm nghiên cứu cho biết. Công việc trong tương lai sẽ nghiên cứu vấn đề này, có thể giúp khám phá những cách tốt hơn để sắp xếp các hạt để tạo ra các vật liệu có các đặc tính khác nhau.​