L'acier qui se "guérit" tout seul
Dans les films de science-fiction, les dommages causés aux robots guérissent d'eux-mêmes.
Les revêtements auto-cicatrisants sont spéciauxdes peintures. À la base microcapsules avec un matériau polymère spécial. Avec tout impact mécanique, par exemple une égratignure, les capsules sont détruites et un matériau s'en détache, qui recouvre la zone blessée, et une couche de polymère se forme à la surface. Il « guérit » les dommages en réagissant avec les bords du revêtement intact et en provoquant la guérison de la rayure, tout en isolant la zone de l'air, empêchant ainsi la corrosion du métal.
La difficulté de produire de l'acier avec un tel revêtement réside à la fois dans la création de la peinture avec des microcapsules et dans son application.
La peinture est une solution colloïdale de polymèresmodificateurs et microcapsules de plusieurs micromètres de taille. Des modificateurs, c'est-à-dire des liants, sont nécessaires pour s'assurer que les polymères sont à l'intérieur des microcapsules à l'état liquide. La composition du mélange lui-même est classifiée et seules quelques entreprises dans le monde sont engagées dans sa production - la technologie est nouvelle et en est encore au stade pilote.
"Les revêtements auto-cicatrisants sont des peintures spéciales"
La composition à l'état liquide est appliquée sur l'acier, etpuis les liants sont éliminés à l'aide d'un four de séchage, laissant une couche continue de polymère avec des microcapsules. Il est important que le revêtement soit uniformément réparti et que les capsules elles-mêmes ne soient pas endommagées, sinon les propriétés de l'acier différeront dans différentes zones.
Si le marché apprécie les propriétés du matériau, sa production augmente et le prix unitaire du produit baisse, on peut alors prédire que cet acier se généralisera.
Acier antibactérien
L'acier avec revêtement antibactérien est utilisé dansMédicament. Il est utilisé pour fabriquer des instruments de médecins, des éléments de bâtiments hospitaliers comme des garde-corps ou des panneaux sur les murs, où s'accumulent généralement des micro-organismes nuisibles. De plus, pendant la pandémie, de nombreux fabricants d'équipements, notamment de smartphones et d'ordinateurs portables, ont commencé à en fabriquer des étuis à gadgets.
Il existe plusieurs variations sur la façon dont l'acieracquiert des propriétés antibactériennes. Le plus souvent, un revêtement polymère est appliqué à la surface du matériau, qui comprend des ions argent et cuivre. Ces métaux sont très efficaces pour lutter contre les microbes : au contact, ils détruisent leur carapace, tuant 99 % des micro-organismes.
Mais il y a d’autres développements.Par exemple, si l'acier est immergé dans une solution électrolytique et qu'une tension est appliquée d'une manière spéciale, des nanostructures se forment à la surface : des piqûres microscopiques, des pointes et des aiguilles. Comme les ions métalliques, ils endommagent les membranes des bactéries et les tuent. Dans le même temps, le processus technologique au cours duquel cet acier est produit ne diffère pas de ceux déjà utilisés dans le traitement du matériau - de la même manière, le métal est poli ou doté de propriétés anticorrosion.
Les deux approches sont sans danger pour les cellules animales et végétales : leur taille dépasse largement la taille des microbes, une personne n'a rien à craindre.
Les domaines d'application prometteurs pour l'acier avec des revêtements antibactériens sont aujourd'hui la fabrication de panneaux de ventilation et de revêtement - par exemple, la décoration intérieure dans les transports et les locaux.
"Les métallurgistes recherchent des moyens de créer de l'acier à la fois solide et léger pour fabriquer des pièces légères"
Acier à usage intensif - Pour les machines à usage intensif
Les métallurgistes recherchent des moyens de créer simultanémentacier solide et léger pour réaliser des pièces légères. Dans la production de voitures, cela augmentera leur vitesse et la sécurité du conducteur. Et dans la production d'équipements spéciaux, des coques durables et légères réduiront la consommation de carburant.
Pour atteindre les paramètres souhaités, les métallurgistes forment une structure métallique avec une combinaison de différentes phases, dont certaines fournissent une augmentation de la résistance, tandis que d'autres sont responsables du maintien de la ductilité.
Au total, plusieurs phases de l'acier se distinguent en métallurgie :la ferrite, suivie de la perlite, de la sorbite, de la troostite, des bainites et de la martensite. La ferrite se caractérise par une faible résistance, alors qu'elle est ductile et facilement étirable. Plus la phase est éloignée de la ferrite, plus sa résistance est élevée et plus sa ductilité est faible.
Si vous ajoutez à une matrice de ferrite plastiqueentrecoupé de phases plus fortes (par exemple, martensite), vous obtiendrez une « tarte » qui sera à la fois plastique et solide - du fait des propriétés de chacune des phases. Dans le même temps, il est plus difficile d'obtenir un acier constitué d'une combinaison de différentes phases si celles-ci sont situées loin les unes des autres.
L'acier ferrite-perlitique a appris à se former il y a longtemps,c'est aujourd'hui l'une des tâches habituelles de la métallurgie. L'acier ferrite-troostite et ferrite-bainitique est beaucoup plus difficile à obtenir, mais les grandes entreprises métallurgiques l'ont maîtrisé. Mais une ferrite-martensite forte est déjà le résultat d'un processus technologique complexe qui nécessite un équipement spécial et un certain niveau de développement technologique.
"Cœurs" en acier des appareils électriques
L'un des domaines d'application de l'acier est celuimatériel électromagnétique - production de noyaux pour transformateurs, générateurs et moteurs électriques. Le fer est un matériau unique capable de créer son propre champ magnétique. Cela est dû à sa structure atomique.
L'atome de fer a quatre structures ouvertes dans sa structure.Coquille 3D et au lieu de dix électrons, il n’y en a que six. Dans le cas de certains éléments (en plus du fer, il s'agit par exemple du nickel et du cobalt), le remplissage de deux électrons dans la couche 4s, la plus éloignée du noyau, devient énergétiquement plus favorable que le remplissage de la couche 3d. Il reste quelques électrons dont les moments magnétiques orbitaux et de spin ne sont pas compensés ; ils tournent en orbite autour du noyau et créent leur propre champ magnétique.
Certains métaux (or, aluminium) ont des électronssur les coques se compensent, grâce à quoi les matériaux ne créent pas de champ magnétique. Il existe de nombreux autres métaux avec des coques en D non finies qui peuvent être magnétisés, mais seuls le fer, le nickel et le cobalt présentent ces propriétés à température ambiante, pas seulement refroidis.
L'acier en électronique doit être bien magnétisédans un champ magnétique externe et se remagnétise rapidement lors d'un changement de direction. Pour la plupart des réseaux industriels et résidentiels, cela se produit 50 fois par seconde. L'exigence principale dans ce processus est précisément la facilité d'inversion de l'aimantation, qui assurera une consommation d'énergie minimale lors du fonctionnement du produit fini.
Le fer en tant que matériau est un cristallinune structure dans laquelle les atomes sont situés au sommet des arêtes et au centre des cubes. Presque comme dans Lego. Il s'avère que les champs magnétiques individuels de chaque atome s'additionnent pour former un champ commun - grâce à cela, les pièces en fer peuvent se remagnétiser, être attirées par des aimants ou agir elles-mêmes dans leur rôle.
"Le fer est un matériau unique qui peut créer son propre champ magnétique"
Acier unique pour transformateurs
L'acier de transformateur est l'une des sous-espècesaciers électriques. Il a une structure spéciale, où le réseau cristallin de chaque section de l'acier est également orienté dans l'espace, grâce à quoi il est possible d'obtenir des pertes d'énergie minimales pendant le fonctionnement de l'appareil électrique.
Et maintenant avec des mots simples.Les grands volumes d'acier sont hétérogènes - ils sont constitués de petits "grains" de métal dans lesquels les atomes forment un réseau cristallin cubique. Dans le même temps, dans l'acier ordinaire, différents "grains" peuvent être orientés différemment les uns par rapport aux autres - leurs champs magnétiques, respectivement, ont également des directions différentes.
Dans l'acier pour transformateur, les métallurgistes réussissentpour obtenir un écart entre les réseaux de différents "grains" de quelques degrés seulement. À la suite de cette orientation, on obtient un matériau dont la structure tend vers un monocristal, comme si absolument tous les atomes du matériau étaient inclus dans un seul réseau, et non des «grains» individuels. Une telle structure du métal du point de vue de la théorie classique du ferromagnétisme est la plus énergétiquement avantageuse, car le champ magnétique traverse tous les "grains" dans une direction et permet une inversion rapide de l'aimantation du noyau de l'unité électrique avec une perte de puissance minimale.
Cycle de production technologiqueL'acier pour transformateur est le plus complexe de toute la métallurgie ferreuse. L'acier est fondu en utilisant une certaine composition chimique : par exemple, du silicium y est ajouté, grâce à quoi la résistance électrique augmente et les courants de surface ne perturbent pas le champ magnétique. Vient ensuite le laminage à chaud, le décapage, le laminage à froid, le recuit de décarburation, un deuxième laminage à froid, l'application d'un revêtement protecteur, le recuit à haute température, l'application d'un revêtement isolant électrique et, dans certains cas, le traitement de surface au laser.
A chaque étape technologique, des décisions sont prisesplusieurs tâches, commençant par l'obtention de la géométrie de bande requise et se terminant par la formation de joints dans les couches superficielles du métal ou sur toute la section de la bande.
Acier nanostructuré qui ressemble à du caoutchouc
Nanostructuré est dit structurelacier, dans lequel la composition chimique est sélectionnée - manganèse, carbone, chrome sont ajoutés - et les paramètres de traitement forment une structure unique. Il offre une résistance et une ductilité élevées.
Auparavant, pour obtenir un tel matériau, on fondaitacier à structure instable, grâce auquel, lors de la déformation, différentes phases du métal sont passées de l'une à l'autre, modifiant leurs propriétés. En d'autres termes, l'acier est devenu plus résistant sous contrainte mécanique.
Et l'acier nanostructuré est un matériau, endans lequel chaque "grain" a un macle orienté en sens inverse. Il s'avère qu'un matériau ne s'effondre pas lors de la déformation, mais s'étire - en termes de propriétés, il ressemble plus à du caoutchouc. L'acier nanostructuré peut s'allonger jusqu'à 50% de sa longueur d'origine sans se casser et supporter des charges de 10 tonnes par centimètre carré. À titre de comparaison, l'acier ordinaire est 2,5 fois moins résistant et ne peut s'allonger que de 20 à 25 %.
Ce matériau, malgré le fait qu'il ait jusqu'à présentproduit uniquement en mode test et en petits volumes, a de grandes perspectives dans l'industrie automobile et la construction mécanique : l'acier nanostructuré permet d'obtenir des pièces résistantes de forme complexe. Mais alors que la production n'est pas produite en série en raison de la complexité et du coût élevé, de ce fait, le prix de chaque feuille est trop élevé. Si le besoin de matériau augmente, la production prendra une toute autre ampleur, puis le prix de chaque feuille deviendra acceptable - qui sait, peut-être que dans un proche avenir, toutes les machines seront fabriquées à partir de cet acier.
La métallurgie au cours des dernières décenniesa fait un grand pas en avant : des matériaux qui étaient considérés comme de la science-fiction il y a un demi-siècle peuvent désormais être obtenus à l'échelle industrielle. Beaucoup d'entre eux ne sont pas encore répandus, mais on ne sait pas comment le marché se comportera : peut-être verrons-nous très bientôt de nouveaux types d'acier dans les smartphones, les réfrigérateurs et les fours à micro-ondes.
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