Сталь предложили сделать похожей на кость для прочности

Учёные из Германии, США и Японии предложили создавать сталь со слоистыми микро- и наноструктурами из мартенсита и включениями из аустенита, расположенного по границам мартенситных пакетов. По их гипотезе, такие материалы гораздо лучше смогут противостоять усталостным нагрузкам. Для проверки своих идей они протестировали их на сплаве, имеющем подобные структуры, и подтвердили, что его усталостная устойчивость значительно выше, чем у обычной. Соответствующая статья опубликована в Science.

Исследователи поставили себе цель найти сплавы с максимальной устойчивостью к усталостным нагрузкам. Для этого они предложили воспроизвести в металле структуру костей живого существа. Ключевыми компонентами такого сплава авторы работы посчитали наличие слоистых структур, которые ограничивали бы распространение микротрещин в металлических конструкциях (в металле их роль играют пакетные структуры мартенсита). Именно постепенное появление и рост микротрещин ведёт к усталостному разрушению. Между слоистыми структурами оптимально иметь области чуть более мягкого материала (аустенита).

Металлурги попробовали подобрать уже существующий сплав, в максимальной степени соответствующий этим требованиям. Им оказалась сталь, содержащая 9,0 процента марганца, 3,0 процента никеля и 1,4 процента алюминия. В серии экспериментов они показали, что такая сталь сильно превосходит близкие по химическому составу, но лишённые слоистых структур в сочетании с чередованием мартенситов и аустенитов. При циклических нагрузках в 800 мегапаскалей и ниже (это давление примерно соответствует 8000 атмосфер) разница оказалась незаметна. Однако когда циклическая нагрузка была в диапазоне от 800 до 1100 мегапаскалей, разрушение у выбранного ими сплава наступало после большего количества циклов. Для 1100 мегапаскалей разница по их числу достигала 1,6 раза.

Усталостное разрушение — одна из крупнейших проблем металлургии. Сплав, способный выдержать ту или иную нагрузку, всё равно получает микротрещины, число которых с каждом циклом нагрузки и её снятия растёт. Это ведёт либо к разрушению (например, в воздухе, как у авиалайнеров "Комет"), либо к тому, что металлическую конструкцию приходится делать избыточно прочной и тяжёлой для компенсации её усталостной деградации. Однако избыточно тяжёлые самолёты — не лучшее решение, поскольку тратят больше топлива. Применение сплавов, подобных изученным авторами работы, в теории позволяет решить эту проблему.

Вышеописанный сплав стали с марганцем, никелем и алюминием хотя и относительно новый, но был известен и до данной работы. Однако его свойства в плане усталостной прочности ещё не были полностью исследованы, поскольку не было теоретических предпосылок считать, что они могут быть выше, чем у аналогов. Авторы предполагают, что он может с большой пользой применяться в тех областях, где требуется создание лёгких, прочных и долговечных металлических конструкций.