De mindste defekter i et metal kan få det til at svigte, men det er svært at forudsige, hvornår denne såkaldte metaltræthed opstår. Nu har forskere i USA og Frankrig imidlertid fundet ud af, at træthedsstyrken af et metallisk materiale kan beregnes efter blot en enkelt indlæsningscyklus takket være en ny digital billedkorrelationsteknik med nanometeropløsning. Teknikken gjorde det muligt for holdet at observere begyndende svage punkter kendt som glidelokaliseringer på overfladen af en bred vifte af legeringer og kunne guide udformningen af træthedsbestandige legeringer i fremtiden.
"Vi fandt ud af, at efter den første træthedsdeformationscyklus bestemmer amplituden af de plastiske lokaliseringsbegivenheder, der udviklede sig, træthedsstyrken af metalliske materialer," forklarer Jean-Charles Stinville, en materialeforsker og ingeniør ved University of Illinois i Urbana-Champaign, der ledede forskningen. "Denne observation identificerer oprindelsen af træthedsfejl og baner vejen for hurtigt at forudsige træthedsstyrke, som måler, hvor mange gange en vis mængde stress kan påføres et materiale, før det svigter."
Når et metal er under belastning, bevæger lineære defekter kendt som dislokationer sig gennem dets krystalgitter, hvilket får atomerne til at glide over hinanden, og metallet deformeres. Disse overfladeglidningslokaliseringer er, hvor stress koncentreres, og de fungerer som kernedannelsessteder for revner, der vokser progressivt med yderligere belastningscyklusser, hvilket til sidst forårsager fejl.
Træthedsstyrke og flydestyrke
Forskere måler i øjeblikket styrken af et metal eller en legering ved at teste prøver under forskellige cykliske belastningsforhold for at beregne den højeste belastning, materialet kan modstå i et givet antal cyklusser - en kompleks og tidskrævende metode. I det nye arbejde fandt Stinville og kolleger, at den (irreversible) glidelokalisering efter den første belastningscyklus var lineært korreleret til udmattelsesstyrken af forskellige metaller. Denne korrelation giver en måde til hurtigt at forudsige metallers træthedsstyrke, siger de.
I deres arbejde udsatte de en række face-centred cubic (FCC), hexagonal close-packed (HCP) og body-centred cubic (BCC) metalliske materialer for cyklisk deformation og observerede deres adfærd på nanometerskalaen på de tidligste stadier af cykling. De observerede, at egenskaberne ved glidehændelser varierede som en funktion af krystalstrukturen og mikrostrukturen. For eksempel er glidelokalisering normalt mindre intens i BCC-metalliske materialer, hvilket forklarer deres bedre udmattelsesstyrke sammenlignet med FCC- og HCP-materialer.
"Vores eksperimentelle værktøj giver mulighed for statistisk kvantificering af deformationsbegivenheder i nanometerskala, der er involveret under deformation af metaller," fortæller Stinville Fysik verden. "Deres egenskaber informerer om strukturens og mikrostrukturens indvirkning på de mekaniske egenskaber og især udmattelsesstyrke."
En sådan analyse er nyttig til at identificere legeringer, der viser exceptionel eller usædvanlig adfærd og giver en anden tilgang til hurtigt og enkelt at identificere træthedsbestandige legeringer, tilføjer han.
Forskerne siger, at de nu planlægger at udvide deres teknik til belastningsforhold under ekstreme miljøer, såsom høje og kryogene temperaturer. "Sådanne målinger vil være nyttige til at identificere metaller til transportanvendelser og dem, der kræver ekstreme temperaturer," siger Stinville.
De indberetter deres arbejde Videnskab.
Stillingen Afslørende tegn på træthed vises tidligt i metaller dukkede først på Fysik verden.
