Мелкоструктурированная сталь признана наноматериалом

Как известно, металлы и их сплавы приобретают ковкость при высоких температурах и становятся более ломкими и хрупкими при охлаждении. 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 градусах Цельсия. Последующие механические испытания нового материала показали отличные результаты по сравнению со сталью закаленной обычным образом и отпущенной при 500 градусах Цельсия. В частности, значение ударной прочности по Шарпи для образцов после температурной формовки (TP-образец) составляет 226 Дж, что почти в шестнадцать 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 до -20 градусов Цельсия, при дальнейшем повышении температуры ударная прочность уменьшается. Подобное поведение объясняется микроструктурой стали. После темпформинга происходит удлинение зерен вдоль 110 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.