Ny lamineret nanostruktur giver stålbenlignende modstand mod brud under gentagen belastning

Metaltræthed kan føre til pludselige og undertiden katastrofale fejl i dele, der gennemgår gentagen belastning, eller stress. Det er en væsentlig årsag til fiasko i strukturelle komponenter i alt fra fly og rumfartøjer til broer og kraftværker. Som resultat, sådanne strukturer er typisk bygget med brede sikkerhedsmargener, der øger omkostningerne.

Nu, et team af forskere på MIT og i Japan og Tyskland har fundet en måde at reducere træthedens virkninger kraftigt ved at indarbejde en lamineret nanostruktur i stålet. Den lagdelte struktur giver stål en slags knoglelignende modstandsdygtighed, lade den deformere uden at tillade spredning af mikrosprækker, der kan føre til træthedssvigt.

Resultaterne er beskrevet i et papir i tidsskriftet Videnskab af C. Cem Tasan, Thomas B. King Karriereudvikling Professor i Metallurgi ved MIT; Meimei Wang, en postdoc i sin gruppe; og seks andre ved Kyushu University i Japan og Max Planck Institute i Tyskland.

"Belastninger på strukturelle komponenter har en tendens til at være cykliske, "Siger Tasan. F.eks. et fly gennemgår gentagne trykændringer under hver flyvning, og komponenter i mange enheder udvides og kontraheres gentagne gange på grund af opvarmnings- og afkølingscyklusser. Selvom sådanne effekter typisk ligger langt under den slags belastninger, der ville få metaller til at ændre form permanent eller mislykkes med det samme, de kan forårsage dannelse af mikrosprækker, som over gentagne cyklusser af stress spredte sig lidt længere og bredere, i sidste ende skaber nok af et svagt område, så hele stykket pludselig kan gå i stykker.

"Størstedelen af ​​uventede fejl [i konstruktive metaldele] skyldes træthed, "Siger Tasan. Af denne grund, store sikkerhedsfaktorer bruges i komponentdesign, fører til øgede omkostninger under produktion og komponentlevetid.

Tasan og hans team blev inspireret af den måde, naturen adresserer den samme slags problemer på, gør knogler lette, men meget modstandsdygtige over for revnedannelse. En vigtig faktor for knogles brudresistens er dens hierarkiske mekaniske struktur, så teamet undersøgte mikrostrukturer, der ville efterligne dette i en metallegering.

Spørgsmålet var, han siger, "Kan vi designe et materiale med en mikrostruktur, der gør det vanskeligst for revner at forplante sig, selvom de kerner? "Knogle gav et fingerpeg om, hvordan man gør det, gennem sin hierarkiske mikrostruktur - det vil sige den måde, dens interne strukturer har forskellige huller og forbindelsesmønstre i mange forskellige længdeskalaer, med en gitterlignende indre struktur-der kombinerer styrke med let vægt.

Teamet udviklede en slags stål, der har tre nøgleegenskaber, som kombineres for at begrænse spredningen af ​​revner, der dannes. Udover at have en lagdelt struktur, der har tendens til at forhindre revner i at sprede sig ud over lagene, hvor de starter, materialet har mikrostrukturelle faser med forskellige hårdhedsgrader, der supplerer hinanden, så når en revne begynder at danne sig, "hver gang den vil forplante sig yderligere, den skal følge en energikrævende vej, "og resultatet er en stor reduktion i sådan spredning. Også, materialet har en metastabil sammensætning; små områder inden for det er klar mellem forskellige stabile tilstande, nogle mere fleksible end andre, og deres faseovergange kan hjælpe med at absorbere energien ved at sprede revner og endda få revnerne til at lukke op igen.

For yderligere at forstå disse tre egenskabers relative roller, teamet sammenlignede stål hver med en kombination af to ud af de tre centrale egenskaber. Ingen af ​​disse fungerede så godt som trevejskombinationen, han siger. "Dette viste os, at vores modifikation har bedre træthedsbestandighed end nogen af ​​disse."

Test af sådanne materialer under realistiske forhold er svært at gøre, Tasan forklarer, dels på grund af "disse materialers ekstreme følsomhed over for overfladefejl. Hvis du ridser det, det mislykkes meget hurtigere. "Så omhyggelig forberedelse og inspektion af testprøver er afgørende.

Dette fund er bare et første skridt, Tasan siger, og det er stadig at se, hvad der ville være nødvendigt for at skalere materialet til mængder, der kunne kommercialiseres, og hvilke applikationer der ville gavne mest. "Økonomi kommer altid ind i det, "siger han." Jeg er metallurg, og dette er et nyt materiale, der har interessante egenskaber. Store industrier som bilindustri eller rumfart er meget omhyggelige med at foretage ændringer i materialer, da det medfører ekstra indsats og omkostninger. "

Men der er sandsynligvis flere anvendelser, hvor materialet ville være en betydelig fordel. "For kritiske applikationer, [fordelene] er så kritiske, at ændringer er de ekstra besvær værd "med hensyn til omkostningerne, han siger. "Dette er en legering, der ville være dyrere end et grundlæggende lavt kulstofstål, men ejendomsfordelene har vist sig at være ganske usædvanlige, og det er med meget lavere mængder legeringsmetaller (og derfor omkostninger) end andre foreslåede materialer. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.