Китайские исследователи создали новый тип высокопрочной стали, которая значительно превосходит обычные сплавы как по прочности, так и по долговечности. Новый материал на основе обычной нержавеющей стали может проложить путь для производства более износостойких и долговечных авиационных двигателей, глубоководных трубопроводов, а также различных элементов инфраструктуры, которые эксплуатируются в условиях интенсивных нагрузок.

Открытие было сделано группой ученых из Института исследований металлов Китайской академии наук, которые нашли способ улучшить внутреннюю структуру аустенитной нержавеющей стали марки 304. Вместо добавления дорогостоящих редкоземельных элементов и материалов им удалось добиться повышения прочности широко распространенного промышленного металла с помощью механического скручивания.

Преимущества новой технологии обработки стали

Согласно статье, опубликованной в журнале Science, в ходе опытов сталь подвергалась многократному скручиванию («как полотенце»). В результате сформировалась так называемая «градиентная дислокационная структура» (GDS), которая включает многочисленные микроскопические барьеры (противоударные стенки) и существенно повышает устойчивость металла к деформации. Эти крошечные архитектурные изменения составляют всего одну трехсотую диаметра человеческого волоса, но они делают сталь более чем в два раза прочнее, одновременно повышая ее устойчивость к циклической усталости в 10 тысяч раз. Примечательно, что обработка не изменяет внешний вид поверхности металла, поэтому отсутствует необходимость во внесении корректив в существующие технологические карты и производственные циклы.

Важным последствием открытия является его роль в решении одной из ключевых проблем металлургии. Дело в том, что повышение прочности материала происходит за счет уменьшения его пластичности или долговременной структурной стабильности, однако команда китайских ученых сумела добиться безупречного сочетания всех трех параметров. Решающее значение имеет влияние давления на характеристики внутренних дислокационных структур. Они функционируют как внутренние пружины, поглощая энергию и равномерно распределяя ее по металлу, поэтому под воздействием нагрузок сталь не теряет своих первоначальных свойств. Исследователи обнаружили, что сплав, отличающийся плотной и тонкой внутренней структурой, выдерживает внешние удары, предотвращая локальную деформацию, которая является основным недостатком традиционных сплавов.

Сферы применения

Благодаря своей устойчивости, сплав может использоваться в условиях высоких напряжений, характерных для аэрокосмических двигателей. Например, на его основе можно производить коленчатые валы и шатуны, которые смогут выдерживать постоянное давление и экстремальные колебания температур. Другие потенциальные области применения включают подводные трубопроводы, испытывающие как внутреннее давление, так и воздействие окружающей среды, а также трубы в ядерных реакторах, которые подвержены медленной структурной деградации (циклической ползучести).

Последствия длительного напряжения ниже предела текучести металла часто не обнаруживаются вплоть до внезапного отказа оборудования. По словам исследователей, новый сплав противостоит такому виду повреждений, демонстрируя показатели безопасности и надежности, недостижимые для обычных материалов.

Масштабируемость

Положительным аспектом открытия является возможность его практического применения. Нержавеющая сталь 304 относится к числу повсеместно используемых материалов, а процесс усовершенствования ее структуры не требует дорогостоящего сырья или сложной высокотемпературной обработки. Трансформация достигается посредством циклического механического кручения, которое можно масштабировать с помощью существующего промышленного оборудования.

Группа ученых под руководством профессора Lu Lei, накопившая богатый опыт работы с металлами, неоднократно публиковала результаты своих исследований в журнале Science с 2018 года. Представленная учеными «универсальная стратегия упрочнения» может быть применена не только к нержавеющей стали, но и к другим конструкционным сплавам.

По информации государственной телерадиовещательной компании Китая CCTV, открытие позволит добиться увеличения срока службы и повышения надежности ключевых компонентов в экстремальных условиях. Учитывая, что многие отрасли заинтересованы в использовании материалов, которые могут выдерживать интенсивные и продолжительные нагрузки, устойчивый к усталости сплав может стать новым стандартом производительности и долговечности.

По материалам dailygalaxy.com