Deformationsfingeraftryk vil hjælpe forskere med at identificere og designe bedre metalliske materialer

Ingeniører kan nu fange og forudsige styrken af ​​metalliske materialer, der udsættes for cyklisk belastning, eller træthedsstyrke, i løbet af få timer - ikke de måneder eller år, det tager ved hjælp af nuværende metoder.

I en ny undersøgelse rapporterer forskere fra University of Illinois Urbana-Champaign, at automatiseret højopløsningselektronafbildning kan fange de nanoskala deformationsbegivenheder, der fører til metalsvigt og brud ved oprindelsen af ​​metalfejl. Den nye metode hjælper forskere med hurtigt at forudsige træthedsstyrken af ​​enhver legering og designe nye materialer til tekniske systemer, der udsættes for gentagne belastninger til medicinske, transport-, sikkerheds-, energi- og miljøapplikationer.

Resultaterne af undersøgelsen, ledet af materialevidenskab og ingeniørprofessorer Jean-Charles Stinville og Marie Charpagne, er offentliggjort i tidsskriftet Science.

Træthed af metaller og legeringer - såsom den gentagne bøjning af en metal-papirclips, der fører til dens brud - er hovedårsagen til fejl i mange tekniske systemer, sagde Stinville. At definere forholdet mellem udmattelsesstyrke og mikrostrukturen er udfordrende, fordi metalliske materialer viser komplekse strukturer med funktioner, der spænder fra nanometer til centimeterskalaen.

"Dette problem med flere skalaer er et langvarigt problem, fordi vi forsøger at observere sparsomme begivenheder på nanometerstørrelse, der kontrollerer makroskopiske egenskaber og kun kan fanges ved at undersøge store områder med fin opløsning," sagde Charpagne. "Den nuværende metode til bestemmelse af udmattelsesstyrke i metaller bruger traditionelle mekaniske test, der er omkostningskrævende, tidskrævende og ikke giver et klart billede af årsagen til fejl."

I den aktuelle undersøgelse fandt forskerne ud af, at den statistiske undersøgelse af hændelser i nanoskala, der opstår på metaloverfladen, når de er deformeret, kan informere om metallers træthedsstyrke. Holdet er det første til at afsløre dette forhold ved hjælp af automatiseret højopløsnings digital billedkorrelation indsamlet i scanningselektronmikrsokopet - en teknik, der kompilerer og sammenligner en række billeder optaget under deformation, sagde Stinville. Forskerne påviste denne sammenhæng på legeringer af aluminium, kobolt, kobber, jern, nikkel, stål og ildfaste legeringer, der anvendes i en lang række vigtige tekniske applikationer.

"Det bemærkelsesværdige er, at de deformationsbegivenheder på nanoskala, der opstår efter en enkelt deformationscyklus, korrelerer med den udmattelsesstyrke, der informerer om levetiden af ​​en metallisk del under et stort antal cyklusser," sagde Stinville. "At opdage denne sammenhæng er som at have adgang til et unikt deformationsfingeraftryk, der kan hjælpe os med hurtigt at forudsige metaldeles træthedslevetid."

"At designe metalliske materialer med højere udmattelsesstyrke betyder sikrere, mere modstandsdygtige og holdbare materialer," sagde Charpagne. "Dette arbejde har samfundsmæssige, miljømæssige og økonomiske konsekvenser, fordi det kaster lys over mikro- og nanoskalaparametrene for at indstille sig på designmaterialer med længere levetid. Jeg tror, ​​at dette arbejde vil definere et nyt paradigme inden for legeringsdesign." + Udforsk yderligere

Monash-ingeniører forbedrer træthedslevetiden for højstyrke-aluminiumslegeringer med 25 gange