Zwiększanie odporności wysokowytrzymałej stali na wodór
Gdy wodór – najlżejszy i najpowszechniejszy pierwiastek występujący na naszej planecie – trafia do wysokowytrzymałych stopów metali, takich jak stal, powoduje, że stają się kruche. Zjawisko to, które przyczynia się do pogorszenia właściwości materiału, ograniczenia jego plastyczności i zmniejszenia wytrzymałości, doczekało się nawet swojej nazwy – kruchość wodorowa. Jak nietrudno przewidzieć, jej występowanie prowadzi do powstawania pęknięć. Z racji tego, że stal stanowi blisko 90 % rynku stopów metali, nawet niewielka poprawa jej właściwości może mieć dalekosiężne skutki, zwłaszcza biorąc pod uwagę, że im bardziej wytrzymały jest metal, tym bardziej jest podatny na kruchość wodorową. Naukowcy z niemieckiego Max-Planck-Institut für Eisenforschung postanowili przekształcić tę wadę w zaletę i opracowali nieco nieintuicyjną strategię opierającą się na chemicznej niejednorodności mikrostruktury metalu, aby sprawić, że metal stanie się bardziej odporny na pęknięcia, oraz że powstające rozwarstwienia nie będą ulegały dalszemu poszerzeniu. Dzięki wsparciu z finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu SHINE badaczom udało się przekształcić tę powszechnie niepożądaną cechę, która zwykle ogranicza odporność stali na uszkodzenia, w mechanizm pozwalający na zwiększenie odporności metalu na kruchość wodorową. Wyniki przeprowadzonych przez nich badań zostały opublikowane w czasopiśmie „Nature Materials”.
Rozwiązanie zagadki – strefy buforowe
Zespół zastosował opracowaną przez siebie strategię do wysokowytrzymałej lekkiej stali zawierającej mangan, uzyskując duże rozproszenie stref bogatych w mangan w mikrostrukturze materiału. „Dobrze zaprojektowane lokalne różnice w składzie stali służą zwiększaniu odporności na zlokalizowane pękanie. Dzięki nim uzyskujemy strefy buforowe, które zatrzymują mikropęknięcia wywołane przez wodór – w innym przypadku rozprzestrzeniałyby się wewnątrz lub wzdłuż wystawionych na działanie tego gazu złącz lub faz”, wyjaśniają autorzy badania. W wyniku zastosowania tej metody odporność stali na kruchość wodorową rośnie dwukrotnie, bez uszczerbku dla wytrzymałości i plastyczności materiału. „Strategia oparta na wykorzystywaniu różnorodności chemicznych zamiast prób ich unikania otwiera nowe możliwości w zakresie inżynierii mikrostrukturalnej dzięki zaawansowanemu przetwarzaniu termomechanicznemu”, czytamy w badaniu. Aby uzyskać takie wyniki, naukowcy postanowili skorzystać z rozwiązania CALPHAD – Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry, pozwalającego na przewidywanie właściwości termodynamicznych i kinetycznych, a także innych charakterystyk materiałów wieloskładnikowych w różnych fazach. Dzięki pomocy CALPHAD opracowany przez badaczy projekt niejednorodności manganowej w fazie austenitu zaowocował dużą gęstością bogatych w mangan regionów buforowych rozproszonych w całej próbce. „Podczas deformacji stopu, dynamiczna transformacja z miękkiego austenitu do twardego martenzytu jest ograniczana lokalnie w ramach regionów buforowych przez zwiększoną stabilność mechaniczną związaną ze zwiększoną zawartością manganu”, czytamy w badaniu. „W rezultacie obserwujemy zmiany w mikrostrukturze, w której następuje wyższe rozproszenie bardziej miękkich obszarów osadzonych w twardej sieci, w efekcie czego mikropęknięcia wywoływane przez wodór są ograniczane i zatrzymywane”. Zasada termodynamiczna wykorzystywana przez badaczy do tworzenia mikrostruktur o określonym stopniu niejednorodności chemicznej wiąże się z dużym niedopasowaniem kinetycznym pomiędzy przemianą fazową i dyfuzją substancji rozpuszczonych występującym w stopach. W związku z tym metodę tę można zastosować do wielu różnych stali o wysokiej wytrzymałości, w których występuje metastabilny austenit. Rozwiązanie opracowane przez naukowców jest również łatwo skalowalne i może zostać wdrożone do istniejących procesów przemysłowych. Strategia opracowana dzięki wsparciu projektu SHINE (Seeing hydrogen in matter) może przyczynić się do zwiększenia wiedzy na temat innych zaawansowanych technik obróbki metali, takich jak metalurgia proszków i obróbka przyrostowa. Zaplanowany na pięć lat projekt ma dobiec końca w styczniu 2023 roku. Więcej informacji: strona projektu SHINE
Słowa kluczowe
SHINE, stal, wodór, metal, kruchość wodorowa, mangan, odporność na pękanie
