Metaalmoeheid kan leiden tot abrupte en soms catastrofale storingen in onderdelen die herhaaldelijk worden belast, of spanning. Het is een belangrijke oorzaak van storingen in structurele componenten van alles, van vliegtuigen en ruimtevaartuigen tot bruggen en krachtcentrales. Als resultaat, dergelijke constructies worden doorgaans gebouwd met brede veiligheidsmarges die de kosten verhogen.

Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers van het MIT en in Japan en Duitsland heeft een manier gevonden om de effecten van vermoeidheid sterk te verminderen door een gelamineerde nanostructuur in het staal op te nemen. De gelaagde structurering geeft het staal een soort botachtige veerkracht, waardoor het kan vervormen zonder de verspreiding van microscheuren toe te staan ​​die kunnen leiden tot vermoeidheidsfalen.

De bevindingen worden beschreven in een paper in het tijdschrift Wetenschap door C. Cem Tasan, de Thomas B. King Professor in de loopbaanontwikkeling van metallurgie aan het MIT; Meimei Wang, een postdoc in zijn groep; en zes anderen aan de Kyushu Universiteit in Japan en het Max Planck Instituut in Duitsland.

"Belastingen op structurele componenten zijn meestal cyclisch, " zegt Tasan. Bijvoorbeeld, een vliegtuig ondergaat herhaalde drukveranderingen tijdens elke vlucht, en componenten van veel apparaten zetten herhaaldelijk uit en krimpen als gevolg van verwarmings- en koelcycli. Hoewel dergelijke effecten doorgaans ver onder het soort belastingen liggen dat ervoor zou zorgen dat metalen permanent van vorm veranderen of onmiddellijk bezwijken, ze kunnen de vorming van microscheuren veroorzaken, die zich door herhaalde cycli van stress een beetje verder en breder verspreidde, uiteindelijk genoeg van een zwak gebied creërend dat het hele stuk plotseling kan breken.

"De meeste onverwachte storingen [van structurele metalen onderdelen] zijn te wijten aan vermoeidheid, " zegt Tasan. Om deze reden, grote veiligheidsfactoren worden gebruikt bij het ontwerp van componenten, wat leidt tot hogere kosten tijdens de productie en de levensduur van de componenten.

Tasan en zijn team werden geïnspireerd door de manier waarop de natuur hetzelfde soort probleem aanpakt, maakt botten lichtgewicht maar zeer resistent tegen scheurgroei. Een belangrijke factor in de botbreukweerstand is de hiërarchische mechanische structuur, dus het team onderzocht microstructuren die dit in een metaallegering zouden nabootsen.

De vraag was, hij zegt, "Kunnen we een materiaal ontwerpen met een microstructuur die het voor scheuren het moeilijkst maakt om zich voort te planten, zelfs als ze kiemen?" Bone gaf een idee hoe dat te doen, door zijn hiërarchische microstructuur - dat wil zeggen, de manier waarop de interne structuren verschillende patronen van holtes en verbindingen hebben op veel verschillende lengteschalen, met een roosterachtige interne structuur - die kracht combineert met een laag gewicht.

Het team ontwikkelde een staalsoort met drie belangrijke kenmerken:die samen de verspreiding van scheuren die zich vormen, beperken. Naast het hebben van een gelaagde structuur die de neiging heeft om te voorkomen dat scheuren zich uitbreiden buiten de lagen waar ze beginnen, het materiaal heeft microstructurele fasen met verschillende hardheidsgraden, die elkaar aanvullen, dus als zich een scheur begint te vormen, "elke keer dat het zich verder wil verspreiden, het moet een energie-intensief pad volgen, " en het resultaat is een grote vermindering van dergelijke verspreiding. het materiaal heeft een metastabiele samenstelling; kleine gebieden daarbinnen bevinden zich tussen verschillende stabiele toestanden, de een wat flexibeler dan de ander, en hun faseovergangen kunnen helpen de energie van het verspreiden van scheuren te absorberen en er zelfs toe te leiden dat de scheuren weer sluiten.

Om de relatieve rollen van deze drie kenmerken beter te begrijpen, het team vergeleek staal elk met een combinatie van twee van de drie belangrijkste eigenschappen. Geen van deze werkte zo goed als de driewegcombinatie, hij zegt. "Dit liet ons zien dat onze modificatie een betere weerstand tegen vermoeiing heeft dan een van deze."

Het testen van dergelijke materialen onder realistische omstandigheden is moeilijk uit te voeren, Tasan legt uit, deels vanwege "de extreme gevoeligheid van deze materialen voor oppervlaktedefecten. Als je het krast, het gaat veel sneller mis." Een nauwgezette voorbereiding en inspectie van testmonsters is dus essentieel.

Deze bevinding is slechts een eerste stap, Tasan zegt, en het valt nog te bezien wat er nodig is om het materiaal op te schalen tot hoeveelheden die kunnen worden gecommercialiseerd, en welke toepassingen het meest zouden profiteren. "Economie speelt altijd een rol, "zegt hij. "Ik ben een metallurg, en dit is een nieuw materiaal met interessante eigenschappen. Grote industrieën zoals de auto-industrie of de lucht- en ruimtevaart zijn erg voorzichtig met het aanbrengen van veranderingen in materialen, omdat het extra inspanning en kosten met zich meebrengt."

Maar er zijn waarschijnlijk verschillende toepassingen waarbij het materiaal een aanzienlijk voordeel zou zijn. "Voor kritische toepassingen, [de voordelen] zijn zo belangrijk dat verandering de extra moeite waard is" over de kosten, hij zegt. "Dit is een legering die duurder zou zijn dan een standaard koolstofarm staal, maar de eigendomsvoordelen zijn vrij uitzonderlijk gebleken, en het is met veel lagere hoeveelheden legeringsmetalen (en dus, kosten) dan andere voorgestelde materialen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.