I più piccoli difetti di un metallo possono causarne la rottura, ma è difficile prevedere quando si verificherà la cosiddetta fatica del metallo. Ora, tuttavia, ricercatori negli Stati Uniti e in Francia hanno scoperto che la resistenza alla fatica di un materiale metallico può essere calcolata dopo un solo ciclo di carico grazie a una nuova tecnica di correlazione delle immagini digitali con risoluzione nanometrica. La tecnica ha consentito al team di osservare i primi punti deboli noti come localizzazioni di scorrimento sulla superficie di un'ampia gamma di leghe e potrebbe guidare la progettazione di leghe resistenti alla fatica in futuro.
"Abbiamo scoperto che dopo il primo ciclo di deformazione a fatica, l'ampiezza degli eventi di localizzazione plastica che si sono sviluppati determina la resistenza a fatica dei materiali metallici", spiega Jean-Charles Stinville, scienziato dei materiali e ingegnere dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign che ha guidato la ricerca. “Questa osservazione identifica l’origine del cedimento per fatica e apre la strada alla rapida previsione della resistenza alla fatica, che misura quante volte una certa quantità di stress può essere applicata a un materiale prima che si rompa”.
Quando un metallo è sotto carico, i difetti lineari noti come dislocazioni si muovono attraverso il suo reticolo cristallino, facendo scivolare gli atomi l’uno sull’altro e deformando il metallo. Queste localizzazioni di scorrimento superficiale sono dove si concentra lo stress e agiscono come siti di nucleazione per cricche che crescono progressivamente con ulteriori cicli di carico, causando infine il cedimento.
Resistenza alla fatica e resistenza allo snervamento
I ricercatori attualmente misurano la resistenza di un metallo o di una lega testando campioni in diverse condizioni di carico ciclico per calcolare lo stress massimo che il materiale può sopportare per un dato numero di cicli: un metodo complesso e dispendioso in termini di tempo. Nel nuovo lavoro, Stinville e colleghi hanno scoperto che la localizzazione dello scorrimento (irreversibile) dopo il primo ciclo di carico era correlata linearmente alla resistenza alla fatica di diversi metalli. Questa correlazione fornisce un modo per prevedere rapidamente la resistenza alla fatica dei metalli, dicono.
Nel loro lavoro, hanno sottoposto una varietà di materiali metallici cubici a facce centrate (FCC), esagonali compatti (HCP) e cubici a corpo centrato (BCC) a deformazione ciclica e hanno osservato il loro comportamento su scala nanometrica nelle prime fasi di Ciclismo. Hanno osservato che le caratteristiche degli eventi di scorrimento variavano in funzione della struttura cristallina e della microstruttura. Ad esempio, la localizzazione dello scorrimento è solitamente meno intensa nei materiali metallici BCC, il che spiega la loro migliore resistenza alla fatica rispetto ai materiali FCC e HCP.
"Il nostro strumento sperimentale consente la quantificazione statistica degli eventi di deformazione su scala nanometrica coinvolti durante la deformazione dei metalli", spiega Stinville Mondo della fisica. “Le loro caratteristiche informano gli effetti della struttura e della microstruttura sulle proprietà meccaniche, e in particolare sulla resistenza alla fatica”.
Tale analisi è utile per identificare le leghe che mostrano un comportamento eccezionale o insolito e fornisce un approccio diverso per identificare le leghe resistenti alla fatica in modo rapido e semplice, aggiunge.
I ricercatori affermano che ora intendono estendere la loro tecnica alle condizioni di carico in ambienti estremi, come temperature elevate e criogeniche. "Tali misurazioni saranno utili per identificare i metalli per le applicazioni di trasporto e quelli che richiedono temperature estreme", afferma Stinville.
Riportano il loro lavoro Scienze.
Il post Segni rivelatori di affaticamento compaiono presto nei metalli apparve prima Mondo della fisica.
