Предприниматель из Детройта недавно удивил инженеров университета в Огайо, когда он изобрел термическую обработку, которая делает сталь на 7 процентов прочнее, чем любая другая сталь в истории, - менее чем за 10 секунд.
На самом деле, сталь, которая в настоящее время имеет торговую марку Flash Bainite, показала себя более прочной и амортизирующей, чем наиболее распространенные титановые сплавы, используемые в промышленности.
Теперь предприниматель работает с исследователями из Университета штата Огайо, чтобы лучше понять науку, стоящую за новой обработкой, называемой флэш-обработкой.
То, что они обнаружили, может стать ключом к тому, чтобы сделать автомобили и военную технику легче, прочнее и экономичнее.
В текущем выпуске журнала Materials Science and Technology изобретатель и его партнеры из штата Огайо описывают, как быстро нагревание и охлаждение стальных листов меняет микроструктуру внутри сплава, делая его прочнее и менее хрупким.
Основной процесс термообработки стали мало изменился в современную эпоху, и инженер Суреш Бабу является одним из немногих исследователей во всем мире, которые до сих пор подробно изучают, как настроить свойства стали. Он адъюнкт-профессор материаловедения и инженерии в штате Огайо и директор Центра интегративного соединения материалов для энергетических приложений Национального научного фонда (NSF) со штаб-квартирой в университете.
"Сталь - это то, что мы бы назвали "зрелой технологией". Нам хотелось бы думать, что мы знаем об этом практически все», - сказал он. «Если бы кто-то изобрел способ упрочнения самых прочных сталей хотя бы на несколько процентов, это было бы большим делом. Но 7 процентов? Это огромно».
Тем не менее, когда к нему впервые обратился изобретатель Гэри Кола, Бабу не знал, что и думать.
"Процесс, описанный Гэри, не должен был сработать", - сказал он. «Я ему не поверил. Поэтому он взял меня и моих студентов в Детройт».
Кола показал им свою собственную лабораторную установку в SFP Works, LLC, где стальные листы перемещались роликами через пламя до 1100 градусов по Цельсию, а затем в ванну с охлаждающей жидкостью.
Хотя типичная температура и продолжительность закалки варьируются в зависимости от отрасли, большинство сталей подвергаются термообработке при температуре около 900 градусов Цельсия в течение нескольких часов. Другие нагреваются при той же температуре в течение нескольких дней.
Весь процесс приготовления колы занял менее 10 секунд.
Он утверждал, что полученная сталь была на 7 процентов прочнее, чем мартенситная улучшенная высокопрочная сталь. [Мартенситная сталь названа так потому, что ее внутренняя микроструктура полностью состоит из кристаллической формы, называемой мартенситом.] Кола также утверждал, что его сталь можно вытягивать, то есть утончать и удлинять, на 30 процентов больше, чем мартенситные стали, без потери повышенной прочности.
Если бы это было правдой, то сталь Cola позволила бы автопроизводителям создавать рамы, которые на 30 процентов тоньше и легче без ущерба для безопасности. Или он может усилить бронетранспортер, не утяжеляя его.
«Мы попросили несколько образцов для тестирования, и оказалось, что все, что он сказал, было правдой», - сказал аспирант штата Огайо Тапасви Лолла. «Тогда нам нужно было понять, что происходит».
Кола - металлург-самоучка, и он хотел, чтобы Бабу и его команда помогли раскрыть физику процесса - понять его в деталях, чтобы он мог найти способы адаптировать его и даже улучшить.
Он сотрудничал со штатом Огайо, чтобы оказать исследовательскую поддержку Брайану Хэнхолду, который в то время был студентом бакалавриата, и Лолле, который впоследствии получил степень магистра, работая над ответом.
Используя электронный микроскоп, они обнаружили, что процесс Колы действительно формировал мартенситную микроструктуру внутри стали. Но они также увидели другую форму, называемую микроструктурой бейнита, в которой присутствуют богатые углеродом соединения, называемые карбидами.
При традиционной медленной термообработке исходная микроструктура стали всегда растворяется в однородную фазу, называемую аустенитом, при пиковой температуре, пояснил Бабу. Но так как сталь быстро остывает от такой высокой температуры, весь аустенит обычно превращается в мартенсит.
Мы считаем, что, поскольку этот новый процесс очень быстрый с быстрым нагревом и охлаждением, карбиды не имеют возможности полностью раствориться в аустените при высокой температуре, поэтому они остаются в стали и делают этот уникальный микроструктура, содержащая бейнит, мартенсит и карбиды», - сказал Бабу.
Лолла отметил, что эта уникальная микроструктура повышает пластичность - это означает, что сталь может сильно деформироваться, прежде чем сломаться, - что делает ее потенциальным амортизатором удара для автомобильных применений.
Бабу, Лолла, научный сотрудник штата Огайо Боян Александров и Кола написали статью в соавторстве с Бадри Нараянаном, докторантом в области материаловедения и инженерии.
Сейчас Хэнхольд работает над переносом своих уроков в сварочную технику, где он надеется решить проблему теплового ослабления во время сварки. Высокопрочная сталь часто ослабевает сразу за пределами сварного шва, где сплав подвергается нагреву и охлаждению. Хэнхольд подозревает, что использование скорости метода Колы для сварки может свести к минимуму повреждение прилегающих участков и уменьшить ослабление.
Если ему это удастся, его открытие принесет пользу промышленным партнерам Центра интегративных материалов NSF, объединяющего науку для энергетических приложений, который был создан ранее в этом году. Академическими партнерами штата Огайо в центре являются Университет Лихай, Университет Висконсин-Мэдисон и Колорадская горная школа.