Le professeur Huang Mingxin montre un morceau léger et mince de super acier qui démontre un niveau ultra élevé de résistance à la rupture, résistance et ductilité. Crédit :L'Université de Hong Kong
Le projet Super Steel dirigé par le professeur Huang Mingxin au Département de génie mécanique de l'Université de Hong Kong (HKU), avec des collaborateurs du Lawrence Berkeley National Lab (LBNL), a fait une percée importante dans son nouvel acier super D&P (produit à l'aide d'une nouvelle méthode déformée et partitionnée) pour améliorer considérablement sa résistance à la rupture tout en conservant une résistance extrêmement élevée pour les applications industrielles avancées.
Les résultats ont été publiés dans Science le 8 mai 2020 dans l'article intitulé "Making Ultrastrong Steel Tough by Grain-Boundary Delamination".
L'acier est un alliage courant. Les scientifiques et les ingénieurs des matériaux cherchent continuellement à développer des matériaux en acier de nouvelle génération qui sont plus faciles à étendre et à allonger (ductilité) en différentes formes et structures, une résistance plus élevée à la déformation (résistance) et à la rupture (ténacité), léger et à faible coût de production.
La tâche a été difficile. Le point de vue conventionnel est que l'augmentation des performances d'une propriété métallique, que ce soit en force, ductilité ou ténacité, sapera un ou plusieurs des autres. Par exemple, une augmentation de la résistance rendra inévitablement le métal plus fragile (connu sous le nom de compromis résistance-résistance); ou moins flexible pour être étendu ou allongé dans différentes formes. (compromis résistance-ductilité).
"Dans cette dernière percée dans l'acier super D&P, nous avons atteint une combinaison résistance-ténacité sans précédent qui peut relever un défi majeur dans les applications industrielles critiques pour la sécurité :atteindre une ténacité à la rupture ultra-élevée afin d'éviter une rupture prématurée catastrophique des matériaux de structure. La percée change également la vision conventionnelle selon laquelle l'obtention d'une résistance élevée se fera au détriment de la détérioration de la ténacité, ce qui conduit invariablement à la fragilisation des matériaux de structure et limite fortement leur application, " a déclaré le professeur Huang.
L'équipe avait auparavant considérablement augmenté les performances de résistance-ductilité de l'acier D&P (note 1), l'acier super D&P atteint donc d'excellentes performances dans les trois propriétés métalliques à un niveau sans précédent jamais atteint par aucun matériau en acier auparavant.
(A) limite d'élasticité-ténacité et (B) limite d'élasticité-allongement uniforme de l'acier D&P révolutionnaire actuel par rapport à d'autres matériaux métalliques à haute résistance existants. L'acier D&P a démontré la meilleure combinaison de limite d'élasticité, ténacité et allongement uniforme. Crédit :L'Université de Hong Kong
Plusieurs brevets aux États-Unis, L'UE et la Chine ont été déposées. L'équipe a collaboré avec des partenaires industriels pour générer des prototypes de câbles de pont à haute résistance, gilet pare-balles et ressort de voiture avec le super acier pour d'autres tests et essais à effectuer. La dernière percée dans l'acier D&P, réalisé en collaboration avec l'équipe de recherche du professeur Robert O. Ritchie au Lawrence Berkeley National Lab (LBNL) et à l'UC Berkeley, donne à l'acier une limite d'élasticité à la déformation de ~2GPa, une ténacité supérieure de 102MPam½, et un bon allongement uniforme de 19 %.
L'équipe a également fait une découverte scientifique importante dans la structure de l'acier super D&P. Le super acier a une caractéristique de rupture unique dans laquelle de multiples micro-fissures se forment sous la surface de rupture principale, grâce à un nouveau mécanisme de durcissement « multi-délamination induite à haute résistance ». Ces microfissures peuvent absorber efficacement l'énergie des forces appliquées de l'extérieur, résultant en une résistance à la ténacité beaucoup plus élevée de l'acier par rapport aux matériaux en acier existants.
Actuellement, l'acier à haute résistance pour câbles de pont a une limite d'élasticité inférieure à 1,7 GPa~, et une ténacité inférieure à 65 MPa m½; l'acier blindé à haute résistance utilisé dans les voitures blindées a une combinaison résistance-ténacité maximale similaire. Le niveau de ténacité pouvant être atteint par l'acier D&P est donc bien supérieur à celui des aciers existants, tout en maintenant une force super forte.
Corde à piano en acier, par exemple, a une résistance ultra-élevée allant de 2,6 à 2,9 GPa pour résister à la déformation et garder l'instrument accordé, ce qui est obtenu au détriment de la ténacité et est à son tour très fragile.
Pendant ce temps, le coût des matières premières de l'acier D&P n'est que de 20% de l'acier maraging actuellement utilisé dans l'aérospatiale (par exemple Grade 300, dont la limite d'élasticité et la ténacité à l'amorçage sont de 1,8 GPa et 70 MPa m½, respectivement).
"L'acier D&P présente d'autres avantages tels qu'un traitement industriel simple et un faible coût des matières premières. Il peut être produit par des procédés conventionnels de laminage et de recuit, en tant que tel, aucun itinéraire de fabrication complexe et aucun équipement spécial n'est requis, " dit Mlle Li Liu, le premier auteur de l'article de revue et un doctorat. étudiant supervisé par le professeur Huang.
"Nous avons fait un grand pas en avant vers l'industrialisation du nouveau super acier. Il démontre un grand potentiel pour être utilisé dans diverses applications, y compris les gilets pare-balles de qualité supérieure, câbles de pont, véhicules légers automobiles et militaires, aérospatial, et des boulons et écrous à haute résistance dans l'industrie de la construction », a ajouté le professeur Huang.
