Độ bền là thước đo mức độ tải trọng mà vật liệu có thể chịu được trước khi bị hỏng, trong khi độ dẻo đo mức độ dễ dàng kéo dài của vật liệu thành các hình dạng khác nhau. Hai thuộc tính này thường mâu thuẫn với nhau, dẫn đến sự đánh đổi cần được thực hiện tùy thuộc vào ứng dụng hiện tại. Trong kim loại, tất cả đều bắt nguồn từ các hạt nhỏ tạo nên vật liệu. Các hạt lớn biến dạng tốt hơn để cho phép độ dẻo tốt hơn, trong khi hạt nhỏ hơn có thể chịu được nhiều sức căng hơn, tăng cường độ bền.

Trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học đã phát triển phương pháp xử lý thép có thể cân bằng tốt hơn độ bền và độ dẻo bằng cách điều chỉnh các hạt này. Nhóm đã xử lý hợp kim thép T-91 để tạo ra vật liệu mới mà họ gọi là Gradient T-91 (G-T91), đúng như tên gọi, có dải kích thước hạt xuyên suốt.

Quá trình xử lý tạo thành lớp mỏng các hạt kim loại siêu mịn từ bề mặt xuống khoảng 200 micromet trong vật liệu. Các hạt ở bên ngoài dài chưa đến 100 nanomet, trong khi hạt ở trung tâm lớn hơn tới 100 lần. Điều này mang lại cho G-T91 cường độ năng suất 700 megapascal – cải thiện 36% so với T-91 chưa qua xử lý và độ dẻo tốt hơn 50% so với T-91.

Zhongxia Shang, tác giả chính của nghiên cứu cho biết, phần trung tâm mềm nên có thể duy trì tính dẻo nhưng bằng cách sử dụng lớp phủ nano, bề mặt đã trở nên cứng hơn nhiều. 

“Nếu tạo độ dốc này với các hạt lớn ở trung tâm và hạt nano trên bề mặt, chúng sẽ biến dạng đồng bộ. Các hạt lớn đảm nhiệm việc kéo dài và các hạt nhỏ chịu ứng suất. Và bây giờ có thể tạo ra loại vật liệu có sự kết hợp giữa độ bền và độ dẻo”, ông Zhongxia Shang nhấn mạnh.

Để xem nó hoạt động như thế nào, nhóm nghiên cứu đã chụp ảnh vật liệu bằng kính hiển vi điện tử quét ở các giai đoạn ứng dụng biến dạng khác nhau. Thông thường các hạt siêu mịn gần bề mặt được định hướng theo chiều dọc, nhưng khi áp dụng nhiều lực căng hơn, chúng bắt đầu có hình dạng cầu hơn, sau đó xoay và kéo dài ra theo chiều ngang. Điều này cho phép thép biến dạng hiệu quả hơn.