Behandeld staal ook bij lage temperaturen taai als bamboe

Door gewoon ‘koolstofstaal’ een warmtebehandeling te geven en het tegelijkertijd te vervormen, ontstaat een materiaal dat ook bij lage temperaturen zijn sterkte en taaiheid behoudt. Deze ontdekking van Japanse onderzoekers maakt wellicht toepassing van goedkoop koolstofstaal mogelijk in pijpleidingen, schepen en boorplatforms, of voor het transport en de opslag van koude vloeistoffen als vloeibaar helium en stikstof. Sterk en taai staal bij lage temperaturen kon tot nu toe alleen gemaakt worden door toepassing van dure metalen als nikkel en chroom. (Science, 23 mei)

Niet alleen de sterkte van een materiaal is belangrijk voor toepassing ervan, maar ook de taaiheid. Die bepaalt in hoeverre het bestand is tegen het optreden van kleine inwendige scheurtjes. Met name aan het uiteinde van zo’n scheurtje is de spanning in het materiaal hoog, waardoor het scheurtje kan doorgroeien en een brosse breuk kan veroorzaken. Keramiek is hiervan een typisch voorbeeld, het is sterk, maar als het valt breken er al gauw stukken af. Een taai materiaal is makkelijker te vervormen en laat daardoor de verhoogde spanning die een scheurtje opwekt naar alle kanten weglekken. Daardoor wordt het scheurtje onschadelijk gemaakt en kan het zich niet verder verplaatsen. Bij lage temperaturen worden echter zelfs taaie materialen bros. Een dramatische illustratie daarvan was het verlies van veel zogeheten Liberty-schepen tijdens de Tweede Wereldoorlog. Deze goedkope, stalen vrachtschepen werden weliswaar razendsnel gebouwd, maar vele vergingen tijdens hun tocht door de poolstreken doordat er spontaan scheuren ontstonden in het staal. Negentien schepen braken zelfs zonder waarschuwing in tweeën.

Japanse onderzoekers van het Nationaal Instituut voor Materialenonderzoek in Tsukuba hebben nu een methode ontwikkeld om de microstructuur van gewoon staal—ijzer waar wat koolstof aan is toegevoegd—zodanig te veranderen dat het ook bij lage temperaturen beter bestand is tegen scheuren. Ze doen dit door het staal bij een temperatuur van 500 graden Celsius te vervormen. Daarbij verandert de microstructuur. De normaal gesproken min of meer ronde kristallijne korrels worden uitgerekt en het staal krijgt een bijna vezelachtige structuur. Scheurtjes kunnen zich uitsluitend langs de korrels verplaatsen en niet dwars door het materiaal. Waar een gewoon staafje in testen bij een temperatuur van 20 graden onder nul recht doormidden breekt, kost dat bij een staafje van het behandelde staal niet alleen meer energie, maar is de breuk nooit volledig: het staal gedraagt zich als bamboe.Rob van den Berg