Forskere viser, hvordan mønstre i nanoskala kan mindske metaltræthed

En ny undersøgelse i tidsskriftet Natur viser, hvordan metaller kan mønstres på nanoskala for at være mere modstandsdygtige over for træthed, den langsomme akkumulering af indre skader fra gentagne belastninger.

Forskningen fokuserede på metal fremstillet med nanotwins, små lineære grænser i et metals atomgitter, der har identiske krystallinske strukturer på begge sider. Undersøgelsen viste, at nantowins hjælper med at stabilisere defekter forbundet med gentagne belastninger, der opstår på atomniveau og begrænser ophobningen af ​​træthedsrelaterede skader.

"90 procent af fejl i metalkomponenter og tekniske strukturer skyldes træthed, " sagde Huajian Gao, en professor ved Brown University's School of Engineering og tilsvarende forfatter til den nye forskning. "Dette arbejde repræsenterer en potentiel vej til mere træthedsbestandige metaller, hvilket ville være nyttigt i næsten alle tekniske omgivelser. "

Gao var forfatter af undersøgelsen sammen med Haofei Zhou, en postdoktor ved Brown, sammen med Quingson Pan, Qiuhong Lu og Lei Lu fra det kinesiske videnskabsakademi.

For at studere træthedsvirkningerne af nanotwins, forskerne elektropletterede bulkprøver af kobber med tæt anbragte tvillingestrukturer i pladernes krystallinske korn. Derefter udførte de en række eksperimenter, hvor de strakte og komprimerede pladerne gentagne gange ved forskellige amplituder af spænding og målte materialets tilhørende stressrespons ved hjælp af et træthedstestsystem. Begyndende med en deformationsamplitude på 0,02 procent, forskerne øgede gradvist amplituden hver 1. 500 cyklusser til 0,04, derefter .06, til sidst toppede ved 0,09, før de træder tilbage gennem tøjningsamplituderne.

Testene viste, at stressreaktionen af ​​det nanotvindede kobber hurtigt stabiliserede sig ved hver deformationsamplitude. Vigtigere, Gao sagde, undersøgelsen fandt, at stressreaktionen ved hver belastningsamplitude var den samme under anden halvdel af eksperimentet, når metallet blev cyklet gennem hver deformationsamplitude en anden gang. Det betyder, at materialet ikke hærdede eller blødgjorde under belastningen, som de fleste metaller forventes at gøre.

"Trods allerede at have været igennem tusinder af belastningscyklusser, materialet viste samme stressrespons, " sagde Gao. "Det fortæller os, at reaktionen på cyklisk belastning er historieuafhængig - skaden akkumuleres ikke, som den gør i almindelige materialer."

Til sammenligning, forskerne udførte lignende eksperimenter på ikke-nanovindede prøver, som viste betydelig hærdning og blødgøring (afhængigt af materialet) og viste den type kumulative træthedseffekter, der er almindelige i de fleste metaller.

For at forstå mekanismen bag denne træthedsmodstand, forskerne udførte supercomputersimuleringer af metallets atomare struktur. På atomniveau, materialedeformation manifesterer sig gennem bevægelse af dislokationer - linjefejl i den krystallinske struktur, hvor atomer skubbes ud af deres plads. Simuleringerne viste, at nanotwin-strukturerne organiserer belastningsrelaterede dislokationer i lineære bånd kaldet korrelerede halskædedislokationer (opkaldt efter deres perlehalskæde-lignende udseende i simulering). Inden for hvert krystalkorn, dislokationerne forbliver parallelle med hinanden og blokerer ikke for hinandens bevægelser, hvilket er grunden til, at virkningerne af dislokationerne er reversible, Siger Gao.

"I et normalt materiale, træthedsskader ophobes, fordi dislokationer bliver viklet ind i hinanden og ikke kan fortrydes, " sagde han. "I det tvillingemetal, de korrelerede halskædedislokationer er meget organiserede og stabile. Så når belastningen er afslappet, dislokationerne trækker sig simpelthen tilbage, og der er ingen akkumuleret skade på nanotwin-strukturen."

Metallerne er ikke helt immune over for træthed, imidlertid. Træthedsmodstanden påvist i undersøgelsen er inden for hvert krystallinsk korn. Der er stadig skader, der ophobes ved grænserne mellem korn. Men den indre modstand mod træthed "sænker nedbrydningsprocessen, så strukturen har en meget længere udmattelseslevetid, " sagde Gao.

Gaos forskergruppe har arbejdet meget på nanotvinde metaller, tidligere vist, at nanotwin-strukturer kan forbedre et metals styrke - evnen til at modstå deformation såsom bøjning - og duktilitet, evnen til at strække uden at gå i stykker. Denne nye opdagelse antyder endnu en fordel for tvillingemetaller. Han og hans kolleger håber, at denne seneste forskning vil tilskynde producenter til at finde nye måder at skabe nanotwins i metaller. Den galvaniseringsmetode, der bruges til at fremstille kobberet til denne undersøgelse, er ikke praktisk til fremstilling af store komponenter. Og selvom der er nogle former for tvinnet metal tilgængeligt nu (twinning-induceret plasticitet eller "TWIP" stål er et eksempel), forskere leder stadig efter billige og effektive måder at fremstille metaller og legeringer med tvillingestrukturer på.

"Det er stadig mere en kunst end en videnskab, og vi har ikke mestret det endnu, " sagde Lu, en af ​​de tilsvarende forfattere fra det kinesiske videnskabsakademi. "Vi håber, at hvis vi påpeger de fordele, du kan få ved twinning, det kan måske stimulere fabrikationseksperter til at finde nye legeringer, der let vil dobbelte."