La fatica del metallo può portare a guasti improvvisi e talvolta catastrofici in parti soggette a carichi ripetuti, o stress. È una delle principali cause di guasto nei componenti strutturali di qualsiasi cosa, da aerei e veicoli spaziali a ponti e centrali elettriche. Di conseguenza, tali strutture sono tipicamente costruite con ampi margini di sicurezza che si sommano ai costi.

Ora, un team di ricercatori del MIT e in Giappone e Germania ha trovato un modo per ridurre notevolmente gli effetti della fatica incorporando una nanostruttura laminata nell'acciaio. La struttura a strati conferisce all'acciaio una sorta di resilienza simile a un osso, permettendogli di deformarsi senza consentire la diffusione di microfessure che possono portare a rotture per fatica.

I risultati sono descritti in un articolo sulla rivista Scienza di C. Cem Tasan, il Thomas B. King Career Development Professor di Metallurgia al MIT; Meimei Wang, un postdoc nel suo gruppo; e altri sei alla Kyushu University in Giappone e al Max Planck Institute in Germania.

"I carichi sui componenti strutturali tendono ad essere ciclici, " dice Tasan. Ad esempio, un aereo subisce ripetuti cambi di pressurizzazione durante ogni volo, e i componenti di molti dispositivi si espandono e si contraggono ripetutamente a causa dei cicli di riscaldamento e raffreddamento. Sebbene tali effetti siano in genere molto al di sotto dei tipi di carichi che farebbero sì che i metalli cambino forma in modo permanente o si rompano immediatamente, possono causare la formazione di microfratture, che in ripetuti cicli di stress si è diffuso un po' più lontano e più ampio, alla fine creando un'area abbastanza debole che l'intero pezzo può rompersi improvvisamente.

"La maggior parte dei guasti imprevisti [di parti metalliche strutturali] è dovuta a fatica, " dice Tasan. Per questo motivo, grandi fattori di sicurezza sono utilizzati nella progettazione dei componenti, determinando un aumento dei costi durante la produzione e la vita dei componenti.

Tasan e il suo team sono stati ispirati dal modo in cui la natura affronta lo stesso tipo di problema, rendendo le ossa leggere ma molto resistenti alla propagazione delle crepe. Un fattore importante nella resistenza alla frattura dell'osso è la sua struttura meccanica gerarchica, quindi il team ha studiato le microstrutture che avrebbero imitato questo in una lega metallica.

La domanda era, lui dice, "Possiamo progettare un materiale con una microstruttura che rende più difficile la propagazione delle crepe, anche se si nucleano?" Bone fornì un indizio su come farlo, attraverso la sua microstruttura gerarchica, cioè il modo in cui le sue strutture interne hanno diversi modelli di vuoti e connessioni a molte scale di lunghezza diverse, con una struttura interna simile a un reticolo, che combina resistenza e leggerezza.

Il team ha sviluppato un tipo di acciaio che ha tre caratteristiche chiave, che si combinano per limitare la diffusione delle crepe che si formano. Oltre ad avere una struttura a strati che tende a impedire alle crepe di diffondersi oltre gli strati da cui iniziano, il materiale presenta fasi microstrutturali con diversi gradi di durezza, che si completano a vicenda, quindi quando inizia a formarsi una crepa, "ogni volta che vuole propagarsi ulteriormente, deve seguire un percorso ad alta intensità energetica, " e il risultato è una grande riduzione di tale diffusione. Inoltre, il materiale ha una composizione metastabile; minuscole aree al suo interno sono in bilico tra diversi stati stabili, alcuni più flessibili di altri, e le loro transizioni di fase possono aiutare ad assorbire l'energia della diffusione delle crepe e persino portare le crepe a richiudersi.

Per comprendere ulteriormente i ruoli relativi di queste tre caratteristiche, il team ha confrontato gli acciai ciascuno con una combinazione di due delle tre proprietà chiave. Nessuno di questi ha funzionato come la combinazione a tre vie, lui dice. "Questo ci ha mostrato che la nostra modifica ha una resistenza alla fatica migliore di tutte queste."

Il collaudo di tali materiali in condizioni realistiche è difficile da eseguire, Tasan spiega, in parte a causa "dell'estrema sensibilità di questi materiali ai difetti superficiali. Se lo graffi, fallirà molto più velocemente." Quindi la preparazione meticolosa e l'ispezione dei campioni di prova sono essenziali.

Questa scoperta è solo un primo passo, Tasan dice, e resta da vedere cosa sarebbe necessario per scalare il materiale a quantità che potrebbero essere commercializzate, e quali applicazioni ne trarrebbero maggior beneficio. "L'economia c'entra sempre, " dice. "Sono un metallurgista, e questo è un nuovo materiale che ha proprietà interessanti. Le grandi industrie come quella automobilistica o aerospaziale sono molto attente ad apportare modifiche ai materiali, in quanto comporta sforzi e costi aggiuntivi."

Ma è probabile che ci siano diversi usi in cui il materiale sarebbe un vantaggio significativo. "Per applicazioni critiche, [i benefici] sono così critici che il cambiamento vale la fatica in più" sul costo, lui dice. "Questa è una lega che sarebbe più costosa di un semplice acciaio a basso tenore di carbonio, ma i vantaggi della proprietà si sono dimostrati del tutto eccezionali, ed è con quantità molto inferiori di metalli in lega (e quindi, costi) rispetto ad altri materiali proposti."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.