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Aug 16, 2023

Resistencia y plasticidad superiores

Por la Universidad Purdue 21 de agosto de 2023 Un tratamiento novedoso de la aleación de acero T-91 ha dado como resultado una versión más resistente y dúctil llamada G-T91, con granos metálicos ultrafinos que muestran superplasticidad. Este

Por Universidad Purdue 21 de agosto de 2023

Un novedoso tratamiento de la aleación de acero T-91 ha dado como resultado una versión más resistente y dúctil llamada G-T91, con granos metálicos ultrafinos que muestran una superplasticidad. Este descubrimiento de la Universidad 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.

A new treatment tested on a high-quality steel alloyA mixture of two metallic elements typically used to give greater strength or higher resistance to corrosion." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> La aleación da como resultado una resistencia y flexibilidad notables, cualidades que a menudo se consideran una compensación más que una combinación. Los granos de metal ultrafinos que el tratamiento produjo en la capa más externa de acero parecen estirarse, rotar y luego alargarse bajo tensión, confiriendo superplasticidad de una manera que los investigadores de la Universidad Purdue no pueden explicar completamente.

The researchers treated T-91, a modified steel alloy that is used in nuclear and petrochemical applications, but said the treatment could be used in other places where strong, ductile steel would be beneficial, such as cars axles, suspension cables and other structural components. The research, which was conducted in collaboration with Sandia National Laboratories and has been patented, appeared Wednesday, May 31 in Science Advances<em>Science Advances</em> is a peer-reviewed, open-access scientific journal that is published by the American Association for the Advancement of Science (AAAS). It was launched in 2015 and covers a wide range of topics in the natural sciences, including biology, chemistry, earth and environmental sciences, materials science, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Avances científicos.

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 características de lo que el equipo llama un "nanolaminado" de granos metálicos ultrafinos, el tratamiento creado en una región que se extiende desde el superficie hasta una profundidad de aproximadamente 200 micrones. Las imágenes de microscopía muestran una deformación inesperada del acero tratado, denominado G-T91 (o gradiente T91), a medida que se somete a una tensión 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 investigadores no ha visto este fenómeno antes", dijo Zhang. "Por definición, el G-T91 muestra superplasticidad, pero el mecanismo exacto que lo permite no está claro".

Los metales como el acero pueden parecer monolíticos a simple vista, pero cuando se magnifican 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, permitiendo que el metal se estire y doble. Los granos más grandes pueden soportar una mayor tensión que los granos más pequeños, la base de un equilibrio constante entre metales deformables de grano grande y 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, utilizó tensiones de compresión y corte para romper granos grandes en la superficie de una muestra de 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, hasta 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 aproximadamente 700 megapascales, una unidad de tensión, y resistió una deformación uniforme de aproximadamente el 10%, una mejora significativa con respecto a la resistencia y plasticidad combinadas que se pueden alcanzar con el T-91 estándar.

"Esta es la belleza de la estructura, el centro es suave por lo que puede sostener la plasticidad pero, al introducir el nanolaminado, la superficie se ha vuelto mucho más dura", dijo Shang, ahora científico investigador 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 se encargan de la tensión. Y ahora se puede fabricar 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 electrones retrodispersadas 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 verdadera, una medida de plasticidad, del 0% al 120%. Al inicio del proceso, los granos son verticales, con una forma que el equipo describe como lenticular. Pero a medida que aumenta la tensión, parecen estirarse hasta adquirir 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, en movimiento, lo que permite que los granos se estiren y giren y que el acero mismo se deforme plásticamente. El equipo ha obtenido financiación 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 en gradiente.

“Si sabemos cómo se mueven y por qué se mueven, tal vez podamos encontrar una mejor manera de ordenar los granos. No sabemos cómo hacerlo todavía, pero ha abierto un potencial muy interesante”, afirmó 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.DOI: 10.1126/sciadv.add9780

El estudio fue posible gracias al apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias. La investigación realizada en Sandia fue respaldada por una propuesta de usuario en el Centro de Nanotecnologías Integradas, una instalación para 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 contaron con el apoyo de Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía de EE. UU.

Zhang reveló su innovación a la Oficina de Comercialización de Tecnología de la Purdue Research Foundation, que solicitó y recibió una patente para proteger la propiedad intelectual. Los socios de la industria que deseen desarrollar o comercializar aún más el trabajo pueden comunicarse con Parag Vasekar, [email protected], aproximadamente 2019-ZHAN-68391.