Metalltrötthet kan leda till plötsliga och ibland katastrofala fel i delar som genomgår upprepad laddning, eller stress. Det är en viktig orsak till fel i strukturella komponenter i allt från flygplan och rymdfarkoster till broar och kraftverk. Som ett resultat, sådana strukturer är vanligtvis byggda med stora säkerhetsmarginaler som ökar kostnaderna.

Nu, ett team av forskare vid MIT och i Japan och Tyskland har hittat ett sätt att kraftigt minska effekterna av trötthet genom att införliva en laminerad nanostruktur i stålet. Den skiktade strukturen ger stålet en slags benliknande motståndskraft, låta den deformeras utan att sprida mikrosprickor som kan leda till trötthetsfel.

Resultaten beskrivs i ett papper i tidningen Vetenskap av C. Cem Tasan, Thomas B. King Karriärutvecklingsprofessor i metallurgi vid MIT; Meimei Wang, en postdoc i hans grupp; och sex andra vid Kyushu University i Japan och Max Planck Institute i Tyskland.

"Belastningar på strukturella komponenter tenderar att vara cykliska, "Säger Tasan. Till exempel, ett flygplan genomgår upprepade tryckändringar under varje flygning, och komponenter i många enheter expanderar upprepade gånger och dras ihop på grund av värme- och kylcykler. Även om sådana effekter vanligtvis ligger långt under de typer av belastningar som skulle få metaller att ändra form permanent eller misslyckas omedelbart, de kan orsaka bildandet av mikrosprickor, som under upprepade cykler av stress spred sig lite längre och bredare, i slutändan skapar tillräckligt med ett svagt område så att hela stycket plötsligt kan spricka.

"En majoritet av oväntade fel [i konstruktionsdelar i metall] beror på trötthet, " säger Tasan. Av denna anledning, stora säkerhetsfaktorer används vid komponentdesign, vilket leder till ökade kostnader under produktion och komponentlivslängd.

Tasan och hans team inspirerades av hur naturen hanterar samma typ av problem, gör benen lätta men mycket motståndskraftiga mot sprickutbredning. En viktig faktor i benets frakturresistens är dess hierarkiska mekaniska struktur, så teamet undersökte mikrostrukturer som skulle efterlikna detta i en metalllegering.

Frågan var, han säger, "Kan vi designa ett material med en mikrostruktur som gör det svårast för sprickor att sprida sig, även om de nukleerar? "Ben gav en ledtråd till hur man gör det, genom sin hierarkiska mikrostruktur - det vill säga hur dess inre strukturer har olika mönster av håligheter och anslutningar i många olika längdskalor, med en gitterliknande inre struktur-som kombinerar styrka med låg vikt.

Teamet utvecklade ett slags stål som har tre viktiga egenskaper, som kombineras för att begränsa spridningen av sprickor som bildas. Förutom att ha en skiktad struktur som tenderar att förhindra att sprickor sprider sig utanför lagren där de börjar, materialet har mikrostrukturella faser med olika hårdhetsgrader, som kompletterar varandra, så när en spricka börjar bildas, "varje gång den vill sprida sig vidare, den måste följa en energikrävande väg, "och resultatet är en stor minskning av sådan spridning. Också, materialet har en metastabil sammansättning; små områden inom den är redo mellan olika stabila tillstånd, vissa mer flexibla än andra, och deras fasövergångar kan hjälpa till att absorbera spridningsenergin och till och med leda till att sprickorna stängs igen.

För att ytterligare förstå de relativa rollerna för dessa tre egenskaper, teamet jämförde stål med en kombination av två av de tre nyckelegenskaperna. Ingen av dessa fungerade lika bra som trevägskombinationen, han säger. "Detta visade oss att vår modifiering har bättre utmattningsmotstånd än någon av dessa."

Att testa sådana material under realistiska förhållanden är svårt att göra, Tasan förklarar, delvis på grund av "dessa materials extrema känslighet för ytdefekter. Om du repar det, det kommer att misslyckas mycket snabbare. "Så noggrann förberedelse och inspektion av testprover är avgörande.

Detta fynd är bara ett första steg, Tasan säger, och det återstår att se vad som skulle behövas för att skala upp materialet till mängder som skulle kunna kommersialiseras, och vilka applikationer som skulle gynnas mest. "Ekonomi kommer alltid in i det, "säger han." Jag är metallurg, och detta är ett nytt material som har intressanta egenskaper. Stora industrier som bil- och rymdindustrin är mycket noga med att göra materialförändringar, eftersom det medför extra ansträngning och kostnader. "

Men det kommer sannolikt att finnas flera användningsområden där materialet skulle vara en betydande fördel. "För kritiska applikationer, [fördelarna] är så kritiska att förändring är värt det extra besväret "om kostnaden, han säger. "Detta är en legering som skulle vara dyrare än ett grundläggande lågkolstål, men fastighetsfördelarna har visat sig vara ganska exceptionella, och det är med mycket lägre mängder legeringsmetaller (och därmed, kostnader) än andra föreslagna material. "

Denna berättelse publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.