Un nuovo studio sulla rivista Natura mostra come i metalli possono essere modellati su scala nanometrica per essere più resistenti alla fatica, il lento accumulo di danni interni da sforzi ripetuti.

La ricerca si è concentrata sul metallo prodotto con nanogemelli, minuscoli confini lineari nel reticolo atomico di un metallo che hanno strutture cristalline identiche su entrambi i lati. Lo studio ha dimostrato che le nantowine aiutano a stabilizzare i difetti associati a sollecitazioni ripetitive che si verificano a livello atomico e limitano l'accumulo di danni legati alla fatica.

"Il novanta per cento dei guasti nei componenti metallici e nelle strutture ingegneristiche è dovuto alla fatica, " disse Huajian Gao, professore alla School of Engineering della Brown University e corrispondente autore della nuova ricerca. "Questo lavoro rappresenta un potenziale percorso verso metalli più resistenti alla fatica, che sarebbe utile in quasi ogni ambiente ingegneristico."

Gao è stato coautore dello studio con Haofei Zhou, un ricercatore post-dottorato alla Brown, insieme a Quingson Pan, Qiuhong Lu e Lei Lu dell'Accademia Cinese delle Scienze.

Per studiare gli effetti della fatica dei nanogemelli, i ricercatori hanno elettrolitico campioni sfusi di rame con strutture gemelle ravvicinate all'interno dei grani cristallini delle piastre. Quindi hanno eseguito una serie di esperimenti in cui hanno allungato e compresso ripetutamente le piastre a diverse ampiezze di deformazione e misurato la risposta alle sollecitazioni associate al materiale utilizzando un sistema di test di fatica. A partire da un'ampiezza di deformazione dello 0,02%, i ricercatori hanno aumentato progressivamente l'ampiezza ogni 1, 500 cicli a .04, poi .06, infine raggiungendo il picco a 0,09 prima di tornare indietro attraverso le ampiezze di deformazione.

I test hanno mostrato che la risposta allo stress del rame nanotwinato si stabilizzava rapidamente a ogni ampiezza di deformazione. Ma ancora più importante, Gao ha detto, lo studio ha rilevato che la risposta allo stress a ciascuna ampiezza di deformazione era la stessa durante la seconda metà dell'esperimento, quando il metallo è stato fatto passare una seconda volta attraverso ciascuna ampiezza di deformazione. Ciò significa che il materiale non si è indurito o ammorbidito sotto lo sforzo come ci si aspetterebbe che faccia la maggior parte dei metalli.

"Nonostante abbia già attraversato migliaia di cicli di deformazione, il materiale ha mostrato la stessa risposta allo stress, " Gao ha detto. "Questo ci dice che la reazione alla deformazione ciclica è indipendente dalla storia:il danno non si accumula come avviene nei materiali comuni".

Per confronto, i ricercatori hanno eseguito esperimenti simili su campioni non nanovincitori, che ha mostrato un indurimento e un rammollimento significativi (a seconda del materiale) e ha mostrato il tipo di effetti di fatica cumulativi comuni nella maggior parte dei metalli.

Per comprendere il meccanismo alla base di questa resistenza alla fatica, i ricercatori hanno eseguito simulazioni al supercomputer della struttura atomica del metallo. A livello atomico, la deformazione materiale si manifesta attraverso il movimento delle dislocazioni, difetti di linea nella struttura cristallina in cui gli atomi vengono spinti fuori posto. Le simulazioni hanno mostrato che le strutture nanotwin organizzano le dislocazioni legate alla deformazione in bande lineari chiamate dislocazioni di collane correlate (chiamate per il loro aspetto simile a una collana di perline nella simulazione). Dentro ogni granello di cristallo, le dislocazioni rimangono parallele tra loro e non si bloccano a vicenda, per questo gli effetti delle dislocazioni sono reversibili, dice Gao.

"In un materiale normale, i danni da fatica si accumulano perché le lussazioni si aggrovigliano tra loro e non possono essere annullate, " disse. "Nel metallo gemellato, le lussazioni della collana correlate sono altamente organizzate e stabili. Quindi, quando lo sforzo è rilassato, le dislocazioni si ritirano semplicemente e non si accumulano danni alla struttura dei nanogemelli".

I metalli non sono del tutto immuni alla fatica, però. La resistenza alla fatica dimostrata nello studio è all'interno di ciascun grano cristallino. Ci sono ancora danni che si accumulano ai confini tra i grani. Ma la resistenza alla fatica all'interno del grano "rallenta il processo di degradazione, quindi la struttura ha una vita a fatica molto più lunga, " disse Gao.

Il gruppo di ricerca di Gao ha lavorato a lungo sui metalli nanotwinned, dimostrando in precedenza che le strutture nanotwin possono migliorare la resistenza di un metallo, la capacità di resistere a deformazioni come la flessione, e la duttilità, la capacità di allungarsi senza rompersi. Questa nuova scoperta suggerisce un altro vantaggio per i metalli gemellati. Lui ei suoi colleghi sperano che questa ultima ricerca incoraggi i produttori a trovare nuovi modi per creare nanogemelli nei metalli. Il metodo galvanico utilizzato per fabbricare il rame per questo studio non è pratico per realizzare componenti di grandi dimensioni. E mentre ora sono disponibili alcune forme di metallo gemellato (la plasticità indotta dal gemellaggio o l'acciaio "TWIP" è un esempio), gli scienziati sono ancora alla ricerca di modi economici ed efficienti per produrre metalli e leghe con strutture gemelle.

"È ancora più un'arte che una scienza, e non l'abbiamo ancora imparato, " disse Lu, uno degli autori corrispondenti dell'Accademia cinese delle scienze. "Ci auguriamo che se segnaliamo i vantaggi che puoi ottenere dal gemellaggio, potrebbe stimolare gli esperti di fabbricazione a trovare nuove leghe che gemelleranno facilmente".