Ingenieurs kunnen nu de sterkte van metalen materialen die worden blootgesteld aan cyclische belasting of vermoeiingssterkte, in een kwestie van uren vastleggen en voorspellen - niet de maanden of jaren die nodig zijn met de huidige methoden.

In een nieuwe studie rapporteren onderzoekers van de University of Illinois Urbana-Champaign dat geautomatiseerde hoge resolutie elektronenbeeldvorming de nanoschaal vervormingsgebeurtenissen kan vastleggen die leiden tot metaalfalen en breuk aan de oorsprong van metaalfalen. De nieuwe methode helpt wetenschappers om snel de vermoeiingssterkte van elke legering te voorspellen en nieuwe materialen te ontwerpen voor technische systemen die onderhevig zijn aan herhaalde belasting voor medische, transport-, veiligheids-, energie- en milieutoepassingen.

De bevindingen van het onderzoek, geleid door de professoren materiaalwetenschappen en techniek Jean-Charles Stinville en Marie Charpagne, zijn gepubliceerd in het tijdschrift Science.

Vermoeidheid van metalen en legeringen - zoals het herhaaldelijk buigen van een metalen paperclip die tot breuk leidt - is de hoofdoorzaak van falen in veel technische systemen, zei Stinville. Het definiëren van de relatie tussen vermoeiingssterkte en de microstructuur is een uitdaging omdat metalen materialen complexe structuren vertonen met eigenschappen die variëren van nanometer tot centimeterschaal.

"Dit probleem met meerdere schalen is een al lang bestaand probleem omdat we proberen om schaarse gebeurtenissen van nanometerformaat te observeren die macroscopische eigenschappen beheersen en alleen kunnen worden vastgelegd door grote gebieden met fijne resolutie te onderzoeken," zei Charpagne. "De huidige methode voor het bepalen van de vermoeiingssterkte in metalen maakt gebruik van traditionele mechanische testen die kostbaar en tijdrovend zijn en geen duidelijk beeld geven van de oorzaak van het falen."

In de huidige studie ontdekten de onderzoekers dat het statistische onderzoek van de gebeurtenissen op nanoschaal die aan het metaaloppervlak verschijnen wanneer ze vervormd zijn, de vermoeiingssterkte van metalen kan informeren. Het team is de eerste die deze relatie blootlegt met behulp van geautomatiseerde digitale beeldcorrelatie met hoge resolutie die is verzameld in de scanning-elektronenmicrofoon - een techniek die een reeks afbeeldingen verzamelt en vergelijkt die zijn opgenomen tijdens vervorming, zei Stinville. De onderzoekers toonden deze relatie aan op legeringen van aluminium, kobalt, koper, ijzer, nikkel, staal en vuurvaste legeringen die worden gebruikt in een groot aantal belangrijke technische toepassingen.

"Wat opmerkelijk is, is dat de vervormingsgebeurtenissen op nanoschaal die optreden na een enkele vervormingscyclus correleren met de vermoeiingssterkte die de levensduur van een metalen onderdeel onder een groot aantal cycli bepaalt," zei Stinville. "Het ontdekken van deze correlatie is alsof je toegang hebt tot een unieke vervormingsvingerafdruk die ons kan helpen om snel de vermoeiingslevensduur van metalen onderdelen te voorspellen."

"Het ontwerpen van metalen materialen met een hogere vermoeiingssterkte betekent veiligere, veerkrachtiger en duurzamere materialen", zei Charpagne. "Dit werk heeft maatschappelijke, ecologische en economische gevolgen omdat het licht werpt op de micro- en nanoschaalparameters om af te stemmen op ontwerpmaterialen met een langere levensduur. Ik denk dat dit werk een nieuw paradigma in legeringsontwerp zal definiëren." + Verder verkennen

Monash-ingenieurs verbeteren de vermoeiingslevensduur van zeer sterke aluminiumlegeringen met 25 keer