Starkare, lättare, billigare material är namnet på spelet i avancerad tillverkning. Hålla kostnaderna nere på material som är lika, om inte mer, effektivt än tidigare är hur företagen går framåt - och, teoretiskt sett, när konsumenter vinner.

Men tänk om det är starkare, lättare och billigare innebär kortare livslängd för material som används i bilar? Det är problemet som ett internationellt forskargrupp ledde av västerländsk materialingenjör Hamidreza Abdolvand tog itu med i en ny studie publicerad av tidskriften Acta Materialia and Communications Materials med hög effekt.

Abdolvand, tillsammans med Western Engineering doktorand Karim Louca och medarbetare vid European Synchrotron Radiation Facility and Arts et Métiers ParisTech, upptäckt viktiga faktorer som bidrar till deformation (förändrad form) av metaller som används i bilar och kärnreaktorer, och utvecklat nya modeller för att förutsäga livslängden för dessa material.

Det första steget i upptäckten, sa Abdolvand, var en bättre förståelse av "twinning"-en process av kristallorientering som händer med byggstenarna i nanostorlek av fasta material som genomgår deformation.

"Tvillingarnas roll är mycket viktig inom materialvetenskap, och för närvarande är det utmanande för det vetenskapliga samfundet att förutsäga dem eftersom deras början är en snabb process, sa Abdolvand, som ledde studien. "Med mitt team och medarbetare, vi ville ta reda på hur de initierar, under vilka förhållanden, och vad de gör med materialets egenskaper. "

Tvillingar bildas när belastning appliceras på, till exempel, zirkonium eller magnesium. Den förra används i kärnreaktorer och den senare i bilar. Tvillingar kan ibland försvinna när samma last tas bort eller vänds, och processen med vänskap kan vara bra och dåligt, Abdolvand förklarade:det kan förbättra duktiliteten i material - vilket gör dem mer mottagliga för omformning utan att gå sönder - men det kan också få dem att spricka, beroende på belastning och lokaliserade stressförhållanden.

Långt före COVID-19-pandemin, Abdolvand och hans team reste till Frankrike för att samarbeta med ESRF för att utföra 3D-synkrotronröntgendiffraktionsexperiment på fordons- och kärnreaktordelar med ESRF:s ID11-stråle-en speländrande uppsättning utrustning som används av forskare över hela världen.

"Målet var att förstå vad som händer på atomnivå och relatera det till hur materialet fungerar, "sa Jonathan Wright, ID11 beamline -forskare vid ESRF.

Efter experimenten, Louca efterbehandlade noggrant de mer än 4 terabyte (4, 000 gigabyte) samlade diffraktionsbilder. "Hans bidrag var avgörande för detta projekt och hans hårda arbete är föredömligt, sa Abdolvand.

Nästa, forskarna kombinerade sina resultat med kristallplasticitetsmodellering för att studera bildandet och förintandet av tvillingar. Med mycket tunna prover, de applicerade belastning och fann att under tidiga stadier av plasticitet, vänskap inträffade med stress, men att stressen skulle lätta med ytterligare lastning.

"Dessa fynd är mycket viktiga i utvecklingen av nya modeller som gör det möjligt för tillverkare och forskare att förutsäga vad som kommer att hända med ett material och vid vilken tidpunkt detta material kommer att börja misslyckas eller spricka, sa Abdolvand.

En ny modell som ska användas för material som tvilling har utvecklats och förtrycket granskas för närvarande.