Il primo piano mostra un campione fratturato di una lega utilizzata nei motori degli aerei. Sullo sfondo, ogni colore rappresenta un orientamento della struttura cristallina del metallo. Le linee grigie indicano una misura specifica e informano su come si deforma il metallo. Il colore delle linee indica l'intensità con cui gli atomi sono stati interrotti a causa del carico meccanico. Credito:Fred Zwicky
Gli ingegneri possono ora acquisire e prevedere la resistenza dei materiali metallici soggetti a carichi ciclici, o la resistenza alla fatica, nel giro di poche ore, non i mesi o gli anni necessari utilizzando i metodi attuali.
In un nuovo studio, i ricercatori dell'Università dell'Illinois Urbana-Champaign riferiscono che l'imaging elettronico automatizzato ad alta risoluzione può catturare gli eventi di deformazione su nanoscala che portano al cedimento e alla rottura del metallo all'origine del cedimento del metallo. Il nuovo metodo aiuta gli scienziati a prevedere rapidamente la resistenza alla fatica di qualsiasi lega e a progettare nuovi materiali per sistemi ingegneristici soggetti a carichi ripetuti per applicazioni mediche, di trasporto, di sicurezza, energetiche e ambientali.
I risultati dello studio, guidato dai professori di scienze dei materiali e ingegneria Jean-Charles Stinville e Marie Charpagne, sono pubblicati sulla rivista Science.
La fatica di metalli e leghe, come la ripetuta piegatura di una graffetta metallica che porta alla sua frattura, è la causa principale del fallimento in molti sistemi ingegneristici, ha affermato Stinville. Definire la relazione tra resistenza alla fatica e microstruttura è impegnativo perché i materiali metallici mostrano strutture complesse con caratteristiche che vanno dalla scala nanometrica a quella centimetrica.
I professori di scienze dei materiali e ingegneria Jean-Charles Stinville e Marie Charpagne hanno catturato i rari eventi di deformazione su nanoscala all'origine del cedimento del metallo che possono aiutare i ricercatori a progettare nuovi materiali per applicazioni mediche, di trasporto, di sicurezza, energetiche e ambientali. Credito:Fred Zwicky
"Questo problema multiscala è un problema di vecchia data perché stiamo cercando di osservare eventi sparsi di dimensioni nanometriche che controllano le proprietà macroscopiche e possono essere catturati solo studiando ampie aree con una risoluzione fine", ha affermato Charpagne. "L'attuale metodo per determinare la resistenza a fatica nei metalli utilizza i tradizionali test meccanici che sono costosi, richiedono molto tempo e non forniscono un quadro chiaro della causa principale del cedimento."
Nel presente studio, i ricercatori hanno scoperto che l'indagine statistica degli eventi su scala nanometrica che appaiono sulla superficie del metallo quando deformata può informare la resistenza alla fatica dei metalli. Il team è il primo a scoprire questa relazione utilizzando la correlazione automatizzata di immagini digitali ad alta risoluzione raccolte nel microscopio elettronico a scansione, una tecnica che compila e confronta una serie di immagini registrate durante la deformazione, ha affermato Stinville. I ricercatori hanno dimostrato questa relazione su leghe di alluminio, cobalto, rame, ferro, nichel, acciaio e leghe refrattarie utilizzate in un'ampia varietà di applicazioni ingegneristiche chiave.
"Ciò che è notevole è che gli eventi di deformazione su scala nanometrica che compaiono dopo un singolo ciclo di deformazione sono correlati alla resistenza alla fatica che informa la vita di una parte metallica in un gran numero di cicli", ha affermato Stinville. "Scoprire questa correlazione è come avere accesso a un'impronta digitale di deformazione unica che può aiutarci a prevedere rapidamente la vita a fatica delle parti metalliche."
"Progettare materiali metallici con una maggiore resistenza alla fatica significa materiali più sicuri, più resistenti e durevoli", ha affermato Charpagne. "Questo lavoro ha un impatto sociale, ambientale ed economico perché fa luce sui parametri su micro e nanoscala per sintonizzarsi per progettare materiali con una vita più lunga. Penso che questo lavoro definirà un nuovo paradigma nella progettazione delle leghe". + Esplora ulteriormente
