Het Super Steel-project onder leiding van professor Huang Mingxin van de afdeling Werktuigbouwkunde van de Universiteit van Hong Kong (HKU), met medewerkers van het Lawrence Berkeley National Lab (LBNL), heeft een belangrijke doorbraak bereikt in zijn nieuwe super D&P-staal (geproduceerd met behulp van een nieuwe vervormde en gepartitioneerde methode) om de breukweerstand aanzienlijk te verbeteren en tegelijkertijd supersterk te blijven voor geavanceerde industriële toepassingen.

De bevindingen zijn gepubliceerd in Wetenschap op 8 mei 2020 in de krant getiteld "Making Ultrastrong Steel Tough by Grain-Boundary Delamination".

Staal is een veel voorkomende legering. Materiaalwetenschappers en ingenieurs zijn voortdurend op zoek naar nieuwe generatie staalmaterialen die gemakkelijker uit te breiden en te verlengen zijn (taaiheid) in verschillende vormen en structuren, hoger in weerstand tegen vervorming (sterkte) en breuk (taaiheid), licht in gewicht en laag in productiekosten.

De taak is moeilijk geweest. De conventionele opvatting is dat het verhogen van de prestatie van één metalen eigenschap, hetzij in kracht, taaiheid of taaiheid, zal een of meer van de andere ondermijnen. Bijvoorbeeld, een toename in sterkte zal het metaal onvermijdelijk brozer maken (bekend als de sterkte-taaiheid-afweging); of minder flexibel om te worden verlengd of verlengd in verschillende vormen. (afweging sterkte-ductiliteit).

"In deze laatste doorbraak in super D&P staal, we hebben een ongekende sterkte-taaiheidcombinatie bereikt die een grote uitdaging kan aangaan in veiligheidskritieke industriële toepassingen - om een ​​ultrahoge breuktaaiheid te bereiken om catastrofale voortijdige breuk van structurele materialen te voorkomen. De doorbraak verandert ook de conventionele opvatting dat het bereiken van een hoge sterkte ten koste gaat van de verslechterende taaiheid, wat steevast leidt tot de brosheid van constructiematerialen en de toepassing ervan sterk beperkt, " zei professor Huang.

Het team had eerder de sterkte-ductiliteitsprestaties van het D&P-staal aanzienlijk verhoogd (opmerking 1), het super D&P-staal behaalt daarom uitstekende prestaties in alle drie de metaaleigenschappen op een ongekend hoog niveau dat nog niet eerder door staalmaterialen werd bereikt.

Verschillende patenten in de VS, EU en China zijn ingediend. Het team heeft contacten onderhouden met industriële partners om prototypes van zeer sterke brugkabel te genereren, kogelvrij vest en autoveer met het superstaal voor verdere tests en proeven. De laatste doorbraak in het D&P staal, gemaakt in samenwerking met het onderzoeksteam van professor Robert O. Ritchie bij het Lawrence Berkeley National Lab (LBNL) en UC Berkeley, resulteert in het staal een vloeigrens weerstand tegen vervorming van ~2GPa, een superieure breuktaaiheid van 102 MPam½, en een goede uniforme rek van 19%.

Het team heeft ook een belangrijke wetenschappelijke ontdekking gedaan in de structuur van het super D&P-staal. Het superstaal heeft een uniek breukkenmerk waarbij meerdere microscheuren worden gevormd onder het hoofdbreukoppervlak, door een nieuw hardingsmechanisme met "hoge sterkte geïnduceerde multi-delaminatie". Deze microscheuren kunnen effectief energie absorberen van extern uitgeoefende krachten, wat resulteert in de veel hogere taaiheidsweerstand van het staal in vergelijking met bestaande staalmaterialen.

Momenteel, staal met hoge weerstand voor brugkabels heeft een vloeigrens lager dan 1,7 GPa ~, en een breuktaaiheid lager dan 65 MPa m½; gepantserd staal met hoge sterkte dat in gepantserde auto's wordt gebruikt, heeft een vergelijkbare combinatie van maximale sterkte en taaiheid. Het taaiheidsniveau dat kan worden bereikt door het D&P-staal is dus veel hoger dan dat van bestaande staalmaterialen, met behoud van supersterk in kracht.

Stalen pianodraad, bijvoorbeeld, heeft een ultrahoge sterkte variërend van 2,6 tot 2,9 GPa om vervorming te weerstaan ​​en om het instrument gestemd te houden, dat gaat ten koste van de taaiheid en is op zijn beurt erg bros.

In de tussentijd, de grondstofkosten van het D&P-staal bedragen slechts 20% van het maragingstaal dat momenteel in de lucht- en ruimtevaart wordt gebruikt (bijv. Grade 300, waarvan de vloeigrens en breuktaaiheid 1,8 GPa en 70 MPa m½ zijn, respectievelijk).

"D&P-staal heeft andere voordelen, zoals een eenvoudige industriële verwerking en lage grondstofkosten. Het kan worden geproduceerd door conventionele wals- en gloeiprocessen, als zodanig zijn er geen complexe fabricageroutes en speciale apparatuur vereist, " zei juffrouw Li Liu, de eerste auteur van het tijdschriftartikel en een Ph.D. student begeleid door professor Huang.

"We hebben een grote stap dichter bij de industrialisatie van het nieuwe superstaal gezet. Het toont een groot potentieel om te worden gebruikt in verschillende toepassingen, waaronder superieure kogelvrije vesten, brug kabels, lichtgewicht auto's en militaire voertuigen, ruimtevaart, en bouten en moeren met hoge sterkte in de bouwsector", voegde professor Huang toe.