En ny studie i tidskriften Natur visar hur metaller kan mönstras i nanoskala för att vara mer motståndskraftiga mot trötthet, den långsamma ackumuleringen av inre skador från upprepad belastning.

Forskningen fokuserade på metall tillverkad med nanotwins, små linjära gränser i en metalls atomgitter som har identiska kristallina strukturer på båda sidor. Studien visade att nantowins hjälper till att stabilisera defekter associerade med repetitiv belastning som uppstår på atomnivå och begränsar ansamlingen av trötthetsrelaterade skador.

"Nittio procent av fel i metallkomponenter och tekniska strukturer beror på trötthet, " sa Huajian Gao, en professor vid Brown Universitys School of Engineering och motsvarande författare till den nya forskningen. "Detta arbete representerar en potentiell väg till mer utmattningsbeständiga metaller, vilket skulle vara användbart i nästan alla tekniska miljöer."

Gao skrev studien tillsammans med Haofei Zhou, en postdoktor vid Brown, tillsammans med Quingson Pan, Qiuhong Lu och Lei Lu från den kinesiska vetenskapsakademin.

För att studera trötthetseffekterna av nanotwins, forskarna elektropläterade bulkprover av koppar med tätt åtskilda tvillingstrukturer inom plattornas kristallina korn. Sedan utförde de en serie experiment där de sträckte och komprimerade plattorna upprepade gånger vid olika töjningsamplituder och mätte materialets associerade spänningsrespons med hjälp av ett utmattningstestsystem. Börjar med en töjningsamplitud på 0,02 procent, forskarna ökade gradvis amplituden var 1, 500 cykler till 0,04, sedan .06, nådde slutligen en topp på 0,09 innan man steg tillbaka ner genom töjningsamplituderna.

Testerna visade att spänningsresponsen hos den nanotvinnade kopparn snabbt stabiliserades vid varje töjningsamplitud. Mer viktigt, Gao sa, studien fann att stressresponsen vid varje töjningsamplitud var densamma under andra halvan av experimentet, när metallen cyklades genom varje töjningsamplitud en andra gång. Det betyder att materialet inte härdade eller mjuknade under påfrestningen som de flesta metaller skulle förväntas göra.

"Trots att de redan har gått igenom tusentals belastningscykler, materialet visade samma stressrespons, " Sa Gao. "Det säger oss att reaktionen på cyklisk belastning är historia-oberoende - skadan ackumuleras inte som den gör i vanliga material."

För jämförelse, forskarna utförde liknande experiment på icke-nanotvinnade prover, som visade betydande härdning och uppmjukning (beroende på material) och visade den typ av kumulativa utmattningseffekter som är vanliga i de flesta metaller.

För att förstå mekanismen bakom detta utmattningsmotstånd, forskarna gjorde superdatorsimuleringar av metallens atomstruktur. På atomnivå, materialdeformation manifesterar sig genom rörelse av dislokationer - linjedefekter i den kristallina strukturen där atomer trycks ur sin plats. Simuleringarna visade att nanotwin-strukturerna organiserar töjningsrelaterade dislokationer i linjära band som kallas korrelerade halsbandsdislokationer (uppkallade efter deras pärlhalsbandsliknande utseende i simulering). Inuti varje kristallkorn, dislokationerna förblir parallella med varandra och blockerar inte varandras rörelser, vilket är anledningen till att effekterna av dislokationerna är reversibla, säger Gao.

"I ett normalt material, utmattningsskador ackumuleras eftersom dislokationer trasslar ihop sig och inte kan åtgärdas, " sa han. "I den tvinnade metallen, de korrelerade halsbandsdislokationerna är mycket organiserade och stabila. Så när påfrestningen är avslappnad, dislokationerna drar sig helt enkelt tillbaka och det finns ingen ackumulerad skada på nanotwin-strukturen."

Metallerna är inte helt immuna mot trötthet, dock. Utmattningsmotståndet som visades i studien finns inom varje kristallint korn. Det finns fortfarande skador som ackumuleras vid gränserna mellan korn. Men kornens motståndskraft mot trötthet "bromsar ned nedbrytningsprocessen, så strukturen har en mycket längre utmattningslivslängd, " sa Gao.

Gaos forskargrupp har arbetat mycket med nanotvinnande metaller, tidigare visat att nanotwin-strukturer kan förbättra en metalls hållfasthet - förmågan att motstå deformation som böjning - och duktilitet, förmågan att stretcha utan att gå sönder. Detta nya fynd tyder på ytterligare en fördel med tvinnade metaller. Han och hans kollegor hoppas att denna senaste forskning kommer att uppmuntra tillverkare att hitta nya sätt att skapa nanotwins i metaller. Den galvaniseringsmetod som används för att tillverka koppar för denna studie är inte praktisk för att göra stora komponenter. Och även om det finns vissa former av tvinnad metall tillgängliga nu (twinning-inducerad plasticitet eller "TWIP" stål är ett exempel), forskare letar fortfarande efter billiga och effektiva sätt att tillverka metaller och legeringar med tvillingstrukturer.

"Det är fortfarande mer av en konst än en vetenskap, och vi har inte bemästrat det än, sa Lu, en av motsvarande författarna från den kinesiska vetenskapsakademin. "Vi hoppas att om vi påpekar fördelarna du kan få av vänortssamarbete, det kan stimulera tillverkningsexperter att hitta nya legeringar som lätt kan dubbla."