Een nieuwe studie in het tijdschrift Natuur laat zien hoe metalen op nanoschaal van een patroon kunnen worden voorzien om beter bestand te zijn tegen vermoeidheid, de langzame accumulatie van interne schade door herhaalde belasting.

Het onderzoek richtte zich op metaal vervaardigd met nanotwins, kleine lineaire grenzen in het atomaire rooster van een metaal met aan weerszijden identieke kristallijne structuren. De studie toonde aan dat nantowins helpen bij het stabiliseren van defecten die verband houden met repetitieve belasting die zich op atomair niveau voordoen en de accumulatie van vermoeidheidsgerelateerde schade beperken.

"Negentig procent van de storingen in metalen onderdelen en technische constructies is te wijten aan vermoeiing, " zei Huajian Gao, een professor aan de School of Engineering van Brown University en corresponderende auteur van het nieuwe onderzoek. "Dit werk vertegenwoordigt een potentieel pad naar meer vermoeidheidsbestendige metalen, die nuttig zou zijn in bijna elke technische omgeving."

Gao was co-auteur van de studie met Haofei Zhou, een postdoctoraal onderzoeker bij Brown, samen met Quingson Pan, Qiuhong Lu en Lei Lu van de Chinese Academie van Wetenschappen.

Om de vermoeidheidseffecten van nanotwins te bestuderen, de onderzoekers galvaniseerden bulkmonsters van koper met dicht bij elkaar gelegen dubbele structuren in de kristallijne korrels van de platen. Vervolgens voerden ze een reeks experimenten uit waarbij ze de platen herhaaldelijk uitrekten en samendrukten met verschillende amplitudes van spanning en de bijbehorende stressrespons van het materiaal maten met behulp van een vermoeidheidstestsysteem. Beginnend met een spanningsamplitude van 0,02 procent, de onderzoekers verhoogden geleidelijk de amplitude elke 1, 500 cycli tot .04, dan .06, uiteindelijk een piek van 0,09 voordat hij weer naar beneden stapte door de spanningsamplitudes.

De tests toonden aan dat de stressrespons van het nanotwinned koper snel stabiliseerde bij elke spanningsamplitude. Belangrijker, Gao zei, de studie wees uit dat de stressrespons bij elke spanningsamplitude hetzelfde was tijdens de tweede helft van het experiment, wanneer het metaal een tweede keer door elke spanningsamplitude werd gefietst. Dat betekent dat het materiaal niet hard of zacht werd onder de belasting, zoals van de meeste metalen zou worden verwacht.

"Ondanks dat ik al duizenden belastingcycli heb doorgemaakt, het materiaal vertoonde dezelfde stressrespons, "Zei Gao. "Dat vertelt ons dat de reactie op cyclische spanning onafhankelijk is van de geschiedenis - de schade stapelt zich niet op zoals bij gewone materialen."

Ter vergelijking, de onderzoekers voerden soortgelijke experimenten uit op niet-nano-gewonnen monsters, die significante verharding en verzachting vertoonden (afhankelijk van het materiaal) en het type cumulatieve vermoeiingseffecten vertoonden die gebruikelijk zijn in de meeste metalen.

Om het mechanisme achter deze vermoeidheidsweerstand te begrijpen, de onderzoekers voerden supercomputersimulaties uit van de atomaire structuur van het metaal. Op atomair niveau, materiële vervorming manifesteert zich door de beweging van dislocaties - lijndefecten in de kristallijne structuur waar atomen van hun plaats worden geduwd. De simulaties toonden aan dat de nanotwin-structuren spanningsgerelateerde dislocaties organiseren in lineaire banden die gecorreleerde halskettingdislocaties worden genoemd (genoemd naar hun kralenkettingachtige uiterlijk in simulatie). Binnen elke kristalkorrel, de dislocaties blijven parallel aan elkaar en blokkeren elkaars beweging niet, daarom zijn de effecten van de dislocaties omkeerbaar, zegt Gao.

"In een normaal materiaal, vermoeidheidsschade stapelt zich op omdat dislocaties met elkaar verstrikt raken en niet ongedaan kunnen worden gemaakt, ' zei hij. 'In het verbroederde metaal, de gecorreleerde halskettingdislocaties zijn zeer georganiseerd en stabiel. Dus als de spanning ontspannen is, de dislocaties trekken zich gewoon terug en er is geen geaccumuleerde schade aan de nanotwin-structuur."

De metalen zijn niet helemaal immuun voor vermoeidheid, echter. De vermoeidheidsweerstand die in het onderzoek werd aangetoond, ligt binnen elke kristallijne korrel. Er is nog steeds schade die zich ophoopt aan de grenzen tussen korrels. Maar de weerstand in de korrels tegen vermoeidheid "vertraagt ​​het afbraakproces, dus de structuur heeft een veel langere levensduur, ' zei Gao.

Gao's onderzoeksgroep heeft uitgebreid gewerkt aan nanotwinned metalen, eerder aangetoond dat nanotwin-structuren de sterkte van een metaal kunnen verbeteren - het vermogen om vervorming zoals buigen te weerstaan ​​- en ductiliteit, het vermogen om uit te rekken zonder te breken. Deze nieuwe bevinding suggereert nog een ander voordeel voor verbroederde metalen. Hij en zijn collega's hopen dat dit laatste onderzoek fabrikanten zal aanmoedigen om nieuwe manieren te vinden om nanotwins in metalen te maken. De galvaniseermethode die wordt gebruikt om het koper voor deze studie te fabriceren, is niet praktisch voor het maken van grote componenten. En hoewel er nu enkele vormen van verbroederd metaal beschikbaar zijn (twinning-geïnduceerde plasticiteit of "TWIP" staal is een voorbeeld), wetenschappers zijn nog steeds op zoek naar goedkope en efficiënte manieren om metalen en legeringen met dubbele structuren te maken.

"Het is nog steeds meer een kunst dan een wetenschap, en we hebben het nog niet onder de knie, " zei Lu, een van de corresponderende auteurs van de Chinese Academie van Wetenschappen. "We hopen dat als we u wijzen op de voordelen die u kunt halen uit twinning, het zou fabricage-experts kunnen stimuleren om nieuwe legeringen te vinden die gemakkelijk zullen twijnen."