Мелкоструктурированная сталь названа наноматериалом

Ни для кого не секрет, что металлы и их сплавы приобретают ковкость при высоких температурах и становятся более ломкими и хрупкими при охлаждении. Однако, как выяснилось, не все. Японские ученые выявили обратную зависимость для слаболегированных сталей при низких температурах. Полученные образцы имеют зернистую структуру, ориентированную вдоль направления прокатки, с вкраплениями наноразмерных (0,05 мкм) сферических частиц карбидов.

Новый метод термомеханической обработки, использованный в работе, авторы назвали температурной формовкой или темпформингом ("tempforming"). В качестве модельного сплава использовалась низколегированная сталь, содержащая 0.4% C, 2% Si, 1% Cr, and 1% Mo. Формовка образцов производилась с эквивалентной деформацией порядка 1,7 после отпуска стали при 500°C. Последующие механические испытания нового материала показали отличные результаты, по сравнению со сталью закаленной обычным образом и отпущенной при 500°C. В частности, значение ударной прочности по Шарпи для образцов после температурной формовки (TP-образец) составляет 226 Дж, что почти в 16 раз больше, чем в аналогичном испытании с обычной сталью.



Авторы приводят фотографии стальных брусков после теста Шарпи. Сталь без температурной формовки (QT) разламывается в месте V-образного надреза, образуя ровный скол. Образцы после темпформинга при ударе расслаиваются, причем полного разрушения в некоторых случаях не происходит. Измерения показателя ударной прочности при различных температурах дают интересную зависимость. Для TP-образцов наблюдается максимум в интервале температур от -60°C до -20°C, при дальнейшем повышении температуры ударная прочность уменьшается. Подобное поведение объясняется микроструктурой стали. После темпформинга происходит удлинение зерен вдоль кристаллографического направления, которое совпадает с направлением прокатки. Средний поперечный размер зерен металла составлял порядка 260 нм, размер сферических карбидных частиц, диспергированных в железной матрице не более 50 нм.


В заключение авторы отмечают, что комбинация наноразмерной зернистой структуры материала и контролируемой текстуры прокатки позволяет повысить как прочность, так и ковкость стали при низких температурах. Кроме того, описанный в работе подход может быть применен и для мартенситностареющих сталей, которые являются наиболее прочным материалом, использующимся на сегодняшний день. Вышеописанная стратегия формовки, несомненно, найдет широкое применение в металлургии при производстве сверхпрочных материалов и деталей на их основе.


Работа Inverse Temperature Dependence of Toughness in an Ultrafine Grain-Structure Steel опубликована в журнале Science.