Alcuni ricercatori hanno preso la caratteristica che di solito risulta un ostacolo alla progettazione di strutture in acciaio leggere e affidabili, e l’hanno trasformata in un meccanismo che rende questo metallo più resistente al cracking indotto dall’idrogeno.
Quando l’idrogeno, cioè l’atomo più leggero e abbondante del nostro pianeta, viene introdotto in leghe ad alta resistenza, tra cui l’acciaio, il metallo diventa fragile. Tale fenomeno, denominato infragilimento da idrogeno, provoca il deterioramento delle proprietà del metallo, rendendolo meno duttile e più debole e comportando la formazione di cricche. Poiché l’acciaio costituisce circa il 90 % del mercato delle leghe di metallo, persino un minuscolo miglioramento delle sue proprietà potrebbe produrre effetti di vasta portata.
Maggiore la resistenza del metallo, maggiore sarà la sua suscettibilità all’infragilimento da idrogeno. Convertendo questo punto debole in un punto di forza, alcuni ricercatori dell’Istituto Max Planck di ricerca sul ferro in Germania, hanno elaborato una strategia inaspettata che si avvale dell’eterogeneità chimica della microstruttura del metallo per rendere il materiale più resistente alle cricche e impedirne la formazione. Grazie al sostegno del progetto SHINE, finanziato dall’UE, sono riusciti a tramutare proprio la caratteristica spesso indesiderata per il suo effetto deleterio sulla tolleranza al danno dell’acciaio in un meccanismo che ne potenzia la resistenza intrinseca all’infragilimento da idrogeno. I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista «Nature Materials».Il gruppo ha applicato la propria strategia all’acciaio ad alta resistenza e leggero contenente manganese, producendo una dispersione elevata di zone ricche di manganese all’interno della microstruttura del materiale. «La corretta progettazione delle variazioni locali nella composizione ha la funzione di migliorare la resistenza alle cricche a livello locale tramite la creazione di zone cuscinetto che fermano le microcricche indotte dall’idrogeno che altrimenti si propagherebbero rapidamente all’interno o lungo le fasi o le interfacce sotto l’attacco dell’idrogeno», spiegano gli autori nell’articolo.
Come risultato, questo metodo permette di raddoppiare la resistenza all’infragilimento da idrogeno senza pregiudicare la forza e la duttilità del materiale. «La strategia di sfruttare le eterogeneità chimiche anziché la loro eliminazione amplia l’orizzonte per l’ingegneria di microstrutture mediante trasformazioni termo-meccaniche avanzate», riferisce lo studio.
Per ottenere questi risultati, i ricercatori hanno impiegato l’accoppiamento computerizzato di diagrammi di fase e termochimica, un approccio basato sulle fasi per la previsione delle proprietà termodinamiche, cinetiche e di altro tipo dei sistemi di materiali multi-componente. Coadiuvata dall’accoppiamento computerizzato di diagrammi di fase e termochimica, la progettazione dell’eterogeneità del manganese nella fase austenitica ha dato origine a regioni cuscinetto ricche di manganese ad alta densità sparpagliate nell’intero campione. «Durante la deformazione della lega, la trasformazione dinamica da austenite morbida in martensite dura viene soppressa localmente all’interno di queste regioni cuscinetto per azione della stabilità meccanica superiore correlata al loro maggiore contenuto di [manganese] a livello locale», affermano gli autori. «Di conseguenza, la microstruttura si evolve in una dispersione elevata di isole più morbide incorporate nella matrice dura che spesso fa sì che le microcricche indotte [dall’idrogeno] siano attenuate e fermate.»
Il principio termodinamico utilizzato dai ricercatori per la realizzazione di microstrutture con un grado specifico di eterogeneità chimica implica il disallineamento altamente cinetico tra trasformazioni di fase e diffusione di soluti normalmente presenti negli acciai legati. Pertanto è possibile adottare tale approccio in molti acciai ad alte prestazioni diversi contenenti austenite metastabile. Inoltre, è facilmente scalabile nell’ambito di processi industriali consolidati.
La strategia messa a punto con il sostegno del progetto SHINE (Seeing hydrogen in matter) potrebbe consentire di approfondire le conoscenze relative a ulteriori tecniche di trasformazione di metalli avanzate, quali la metallurgia delle polveri e la produzione additiva. Il progetto, della durata di 5 anni, si concluderà a gennaio 2023.
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