Le applicazioni automobilistiche, aerospaziali e della difesa richiedono materiali metallici con altissima resistenza, tuttavia in alcune particolari applicazioni strutturali ad alto carico, devono avere anche una grande duttilità e un’elevata tenacità per facilitare la formazione precisa dei componenti strutturali ed evitare il catastrofico guasto dei componenti durante il servizio. L’aumento della forza spesso porta alla diminuzione della duttilità, che è nota come “compromesso della duttilità della forza”, ad esempio, la ceramica e i materiali amorfi hanno una duttilità trascurabile, sebbene abbiano una grande durezza e una resistenza ultra elevata.
Il progetto Super Steel (Super Acciaio) guidato dal professor Huang Mingxin e la professoressa Liu Li, ricercatori del Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell’Università di Hong Kong, (HKU), con collaboratori del Lawrence Berkeley National Lab (LBNL), ha fatto un importante passo avanti nel suo nuovo acciaio super D&P (prodotto utilizzando un nuovo metodo deformato e partizionato) per migliorare notevolmente la sua resistenza alla frattura mantenendo una resistenza super forte per applicazioni industriali avanzate. I risultati sono stati pubblicati su Science nel documento intitolato “Resistenza dell’acciaio ultra resistente grazie alla delaminazione del grano“.
L’acciaio è una lega comune, scienziati e ingegneri sono alla continua ricerca di materiali in acciaio di nuova generazione che siano leggeri, a basso costo nella produzione, più facili da estendere e allungare (duttilità) in diverse forme e strutture, e maggiore opposizione alla deformazione (resistenza).
Il compito è stato difficile. L’opinione convenzionale è che aumentare le prestazioni di una proprietà metallica, in termini di resistenza, duttilità o tenacità, minerà una o più delle altre componenti: ad esempio, un aumento della resistenza renderà inevitabilmente più fragile il metallo (noto come compromesso di resistenza); o meno flessibile da estendere o allungare in forme diverse (scambio forza-duttilità).
Huang Mingxin ha detto:
«In quest’ultimo passo avanti nell’acciaio super D&P, abbiamo raggiunto una resistenza senza precedenti – una combinazione di tenacità che può affrontare una sfida importante nelle applicazioni industriali critiche per la sicurezza – per ottenere una tenacità alla frattura ultra-elevata in modo da prevenire una catastrofica frattura prematura dei materiali strutturali. La svolta cambia anche l’opinione convenzionale secondo cui il raggiungimento di un’elevata resistenza andrà a scapito del deterioramento della tenacità, che invariabilmente porta all’infragilimento dei materiali strutturali e ne limita enormemente l’applicazione».
Il team in precedenza aveva aumentato in modo significativo le prestazioni di resistenza e duttilità dell’acciaio D&P, ora il nuovo acciaio super D&P (sono stati depositati numerosi brevetti negli Stati Uniti, nell’UE e in Cina) raggiunge prestazioni eccellenti in tutte e tre le proprietà metalliche a un livello senza precedenti mai raggiunto prima da alcun materiale in acciaio.
Il team per ulteriori test ha collaborato con partner industriali per generare prototipi di cavi per ponte ad alta resistenza, giubbotto antiproiettile e ammortizzatori per auto. L’ultima svolta nell’acciaio D&P, realizzata in collaborazione con il team di ricerca del professor Robert O. Ritchie presso il Lawrence Berkeley National Lab (LBNL) e UC Berkeley, ha dato all’acciaio una resistenza allo snervamento contro la deformazione di ~ 2GPa, una resistenza alla frattura superiore di 102 MPa m½ e un buon allungamento uniforme del 19%.
Il team ha anche fatto un’importante scoperta scientifica nella struttura dell’acciaio super D&P, ha una caratteristica unica di frattura in cui si formano più micro-fessurazioni sotto la superficie della frattura principale, attraverso un nuovo meccanismo di tempra “multi-induzione ad alta resistenza”. Le micro-fessurazioni possono assorbire efficacemente l’energia dalle forze applicate esternamente, risultando in una resistenza alla tenacità dell’acciaio molto più elevata rispetto ai materiali in acciaio esistenti.
L’acciaio ad alta resistenza per la produzione di cavi per ponte attualmente ha una resistenza allo snervamento inferiore a 1,7 GPa ~ e una resistenza alla frattura inferiore a 65 MPa; l’acciaio blindato ad alta resistenza utilizzato nelle auto blindate ha una simile combinazione di resistenza massima e tenacità. Il livello di tenacità che può essere raggiunto dall’acciaio D&P è quindi molto più elevato di quello dei materiali in acciaio esistenti. Il filo per pianoforte in acciaio, ad esempio, ha una resistenza ultra-alta che va da 2,6 a 2,9 GPa per resistere alla deformazione e per accordare lo strumento, che si ottiene a scapito della tenacità ed è a sua volta molto fragile.
Il costo delle materie prime dell’acciaio D&P è solo il 20% dell’acciaio maraging attualmente utilizzato nell’aerospaziale (ad esempio grado 300, la cui resistenza allo snervamento e tenacità di inizio della frattura sono rispettivamente 1,8 GPa e 70 MPa m½).
Liu Li ha aggiunto:
«L’acciaio D&P presenta altri vantaggi come la semplice lavorazione industriale e il basso costo delle materie prime, può essere prodotto con processi di laminazione e ricottura convenzionali, in quanto non sono necessari percorsi di fabbricazione complessi e attrezzature speciali».
Huang Mingxin in conclusione ha detto:
«Abbiamo fatto un grande passo avanti verso l’industrializzazione del nuovo super acciaio, dimostra un grande potenziale da utilizzare in varie applicazioni tra cui giubbotti antiproiettile di qualità superiore, cavi dei ponti, veicoli leggeri automobilistici e militari, industria aerospaziale e bulloni e dadi ad alta resistenza per l’industria delle costruzioni».
