Förgrunden visar ett sprucket prov av en legering som används i flygplansmotorer. I bakgrunden representerar varje färg en orientering av metallens kristallstruktur. De grå linjerna indikerar ett specifikt mått och informerar om hur metallen deformeras. Färgen på linjerna indikerar hur intensivt atomerna har störts till följd av mekanisk belastning. Kredit:Fred Zwicky
Ingenjörer kan nu fånga och förutsäga styrkan hos metalliska material som utsätts för cykelbelastning, eller utmattningshållfasthet, på några timmar – inte de månader eller år det tar med nuvarande metoder.
I en ny studie rapporterar forskare från University of Illinois Urbana-Champaign att automatiserad högupplöst elektronavbildning kan fånga de deformationshändelser i nanoskala som leder till metallbrott och brott vid uppkomsten av metallbrott. Den nya metoden hjälper forskare att snabbt förutsäga utmattningshållfastheten hos alla legeringar och designa nya material för tekniska system som utsätts för upprepad belastning för medicinska, transport-, säkerhets-, energi- och miljötillämpningar.
Resultaten av studien, ledd av materialvetenskaps- och ingenjörsprofessorerna Jean-Charles Stinville och Marie Charpagne, publiceras i tidskriften Science.
Utmattning av metaller och legeringar - som den upprepade böjningen av ett metallgem som leder till dess brott - är grundorsaken till fel i många tekniska system, sa Stinville. Att definiera sambandet mellan utmattningshållfasthet och mikrostrukturen är utmanande eftersom metalliska material uppvisar komplexa strukturer med egenskaper som sträcker sig från nanometer till centimeterskalan.
Materialvetenskap och ingenjörsprofessorer Jean-Charles Stinville och Marie Charpagne fångade de sällsynta nanoskaliga deformationshändelserna vid uppkomsten av metallfel som kan hjälpa forskare att designa nya material för medicinska, transport-, säkerhets-, energi- och miljötillämpningar. Kredit:Fred Zwicky
"Denna flerskaliga problem är ett långvarigt problem eftersom vi försöker observera glesa, nanometerstora händelser som kontrollerar makroskopiska egenskaper och bara kan fångas genom att undersöka stora områden med fin upplösning," sa Charpagne. "Den nuvarande metoden för att bestämma utmattningshållfasthet i metaller använder traditionell mekanisk testning som är kostsam, tidskrävande och inte ger en tydlig bild av grundorsaken till fel."
I den aktuella studien fann forskarna att den statistiska undersökningen av händelser i nanoskala som uppträder på metallytan när de deformeras kan informera metallers utmattningshållfasthet. Teamet är det första att avslöja detta förhållande med hjälp av automatiserad högupplöst digital bildkorrelation som samlats in i skanningselektronmikrsokopen - en teknik som sammanställer och jämför en serie bilder inspelade under deformation, sa Stinville. Forskarna visade detta samband på legeringar av aluminium, kobolt, koppar, järn, nickel, stål och eldfasta legeringar som används i en mängd olika viktiga tekniska tillämpningar.
"Vad som är anmärkningsvärt är att deformationshändelserna i nanoskala som uppstår efter en enda deformationscykel korrelerar med utmattningshållfastheten som informerar om livslängden för en metallisk del under ett stort antal cykler," sa Stinville. "Att upptäcka denna korrelation är som att ha tillgång till ett unikt deformationsfingeravtryck som kan hjälpa oss att snabbt förutsäga utmattningslivslängden hos metalldelar."
"Att designa metalliska material med högre utmattningshållfasthet innebär säkrare, mer motståndskraftiga och hållbara material," sa Charpagne. "Detta arbete har samhälleliga, miljömässiga och ekonomiska effekter eftersom det belyser mikro- och nanoskalaparametrarna för att anpassa sig till designmaterial med längre livslängd. Jag tror att det här arbetet kommer att definiera ett nytt paradigm inom legeringsdesign." + Utforska vidare
