18 grudnia 2017


Na Uniwersytecie Browna przeprowadzono badania nad strukturami nanotwins – drobnymi liniami w strukturze atomowej metalu, posiadającymi jednakową budowę krystaliczną po obu stronach. Jak się okazało, mogą one zapewnić zwiększenie odporności metali na zmęczenie.

nanostruktury procesy zmeczeniowe
Badanie odporności zmęczeniowej materiału ze struktruami nanotwins; b i c – przed próbą, e i f – po 17 tys. cykli;

Zmęczenie, spowodowane powtarzalnym naprężeniem to główna przyczyna uszkodzeń elementów metalowych. Badacze z Uniwersytetu Browna zbadali wpływ struktur nanotwins na przebieg naprężeń.
Użyto galwanizowanych blaszek miedzianych, z gęsto rozmieszczonymi strukturami nanotwins w fakturze blachy. Próbki poddano eksperymentom zmęczeniowym polegającym na poddaniu powtarzalnym naprężeniom i rozprężeniom w 1500 cyklach o różnej amplitudzie, poczynając od amplitudy 0,02%, osiągając amplitudę 0,09% i wracając do początkowej wartości. Badania wykazały, że reakcje wzmocnionych nanostrukturami blaszek miedzianych szybko przystosowują się do danej amplitudy naprężeń. Co więcej, reakcje okazały się takie same w drugiej części eksperymentu, kiedy próbki poddano ponownie naprężeniom o tej samej amplitudzie, co oznacza, że materiał nie zesztywniał ani nie zmiękł pod wpływem naprężeń, jak ma to miejsce w przypadku większości metali i nie nastąpiła kumulacja defektów.
Osiągnięty efekt zobrazowano za pomocą symulacji komputerowej struktury atomowej metalu. Na poziomie atomowym, deformacja materiału przyjmuje formę dyslokacji, czyli uszczerbku na krystalicznej strukturze spowodowanej przemieszczeniem atomów. Podczas gdy na powierzchni zwykłego metalu w wyniku naprężeń następuje kumulacja dyslokowanych atomów, uniemożliwiająca odtworzenie stanu wyjściowego, to w przypadku zastosowania nanostruktur bliźniaczych, dyslokacje w ramach poszczególnych nanokryształów są równoległe wobec siebie i nie kumulują się, co sprawia, że odkształcenia są odwracalne. Pozostają jeszcze defekty na granicy pomiędzy nanostrukturami. Mimo to, zdaniem laborantów, rezultaty badań wykazały, że zastosowanie nanostuktur pozwala na wzmocnienie metali i wydłużenie ich cyklu degradacji zmęczeniowej. Jest to krok w kierunku uzyskania materiałów odpornych na procesy zmęczeniowe, które w przyszłości znalazłyby zastosowanie w prawie każdej gałęzi przemysłu.

news.brown.edu