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工程师通过在钢中加入层压纳米结构来减少疲劳的影响

研究人员开发了一种具有三种特性的钢材,这三种特性可以抵抗导致疲劳失效的微裂纹:层状纳米结构,具有不同硬度的微观结构相的混合物以及亚稳组成。他们将金属样品与这些关键属性中的一个或两个(左上角,右上角和左下角)以及全部三个(右下角)进行比较。具有三种属性的金属合金在抗裂性方面优于其他所有。

/&通过在钢中加入层压纳米结构,一组工程师已经开发出了一种方法,可以在反复受到压力的情况下提供类似钢骨的抗断裂能力。 / em

金属疲劳可导致经历重复加载或压力的部件中的突然且有时是灾难性故障。这是造成飞机,宇宙飞船,桥梁和动力装置等各种结构部件失效的主要原因。结果,这种结构通常以很高的安全裕度建造,这增加了成本。

现在,麻省理工学院以及日本和德国的一个研究小组已经找到了一种通过在钢中加入层压纳米结构来大大降低疲劳影响的方法。分层结构赋予钢材一种类似骨骼的弹性,使其能够变形而不会导致微裂纹扩散,从而导致疲劳失效。

这些发现在“科学杂志”(Science / em由麻省理工学院Thomas B. King职业发展教授C. Cem Tasan撰写;他的小组的博士后王美美,日本九州大学和德国马克斯普朗克研究所的其他六人。

“对结构部件的负荷往往是循环的,”Tasan说。例如,飞机在每次飞行过程中会经历反复的增压变化,并且许多设备的部件由于加热和冷却循环而反复膨胀和收缩。虽然这种影响通常远远低于会导致金属永久变形或者不能立即失效的负载,但它们会导致微裂纹的形成,这种微裂纹在重复的应力周期扩展得更远更宽时最终产生足够的微弱裂纹整片可能突然断裂的区域。

“大多数意想不到的失败[结构性金属部件]都是由于疲劳造成的,”Tasan说。出于这个原因,组件设计中使用了大量的安全因素,导致生产和部件寿命期间的成本增加。

Tasan和他的团队受到自然界解决同样问题的启发,使骨骼变得轻盈,但对裂缝扩展非常有抵抗力。骨的抗断裂性的一个主要因素是其分层机械结构,因此研究团队研究了可以在金属合金中模拟这种结构的微结构。

问题是,他说:“我们能否设计出一种微结构的材料,即使它们形成裂纹,也很难使裂纹扩展?”Bone提供了一条关于如何通过其等级微观结构来做到这一点的线索 - 也就是说,其内部结构在许多不同长度尺寸下具有不同的空隙和连接模式,具有格子状内部结构 - 将强度与轻量级相结合。

该团队开发了一种具有三个关键特征的钢材,这些特征结合起来限制了形成的裂缝的扩散。除了具有防止裂纹扩散到其开始层以外的分层结构之外,材料具有不同硬度的微结构相,这些相互补充,因此当裂纹开始形成时,“每次它想要传播进一步,它需要遵循能源密集型的道路“,结果是这种传播大大减少。此外,该材料具有亚稳组成;它内部的微小区域处于不同稳定状态之间,比其他区域更灵活一些,它们的相变可以帮助吸收裂纹扩散的能量,甚至导致裂纹闭合。

为了进一步了解这三个特征的相对作用,该团队比较了钢材和三种主要特性中两种钢材的组合。他说,这些工作都不如三向组合。 “这表明我们的改装比其他任何改装都具有更好的抗疲劳性。”

Tasan解释说,在现实条件下对这些材料的测试很难做到,部分原因是“这些材料对表面缺陷极度敏感。如果你抓它,它将失败得多快。“所以,仔细准备和检查样品是非常重要的。

Tasan说,这一发现仅仅是第一步,还有待观察,将材料扩大到可商业化的数量,以及哪些应用最受益,还有待观察。 “经济学总是会进入它的,”他说。 “我是冶金学家,这是一种具有有趣特性的新材料。汽车或航空航天等大型行业对材料进行更改非常谨慎,因为它会带来额外的努力和成本。“

但是,这些材料可能会成为一个重要优势的应用。 “对于关键应用,[好处]非常重要,以至于改变值得关于成本的额外麻烦,”他说。 “这是一种比基本的低碳钢价格更贵的合金,但是其性能优势已经显示出相当出色,与其他材料相比,它的合金金属含量(以及成本)要低得多。 ”

该研究得到了欧洲研究委员会和麻省理工学院材料科学与工程系的支持。团队包括日本福冈九州大学的Motomichi Koyama,Zhao Zhang,Kaneaki Tsuzaki和Hiroshi Noguchi以及德国杜塞尔多夫Max Planck Institute的Dirk Ponge和Dierk Raabe。

出版物:Motomichi Koyama等人,“Bone-like crack resistance in hierarchical亚稳态纳米层状钢,”Science 10 Mar 2017:Vol。 355卷,6329期,1055-1057页; DOI:10.1126 / science.aal2766

资料来源:麻省理工新闻David L. Chandler