Almanya, Japonya ve Amerika Birleşik Devletleri ortaklaşa bir biyonik "süper kemik çeliği" geliştirdi, bu da tokluğu büyük ölçüde artırıyor ve metal yorgunluğunu çözüyor
Çeliğin en yaygın metallerden biri olduğu söylenebilir. Binlerce yıllık uzun geçmişinde, insanlar çeliğin eritme ve işleme teknolojisinde ustaca ustalaşmış ve onu insanların yaşamlarının ayrılmaz bir parçası haline getirmiştir. Günümüzde çelik, inşaat, altyapı, makine, gemi ve otomobil gibi çeşitli alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Yapısal malzemeler alanında çelik de ağabeydir.
Takviyeli demir kemikler, çelik döküm kadar sert kemikleri tanımlamak için kullanılır. Son zamanlarda, bilim adamları kemiğin iç yapısına dayalı yeni bir biyonik süper çelik türü tasarladılar.Bu çeliğin süper tokluğu sıradan çeliğin ulaşamayacağı kadar büyük.
Ancak çeliğin "Aşil topuğu" da vardır . Çelik gibi metaller, küçük çatlaklar oluşturmak için kolayca çizilirler, eğer bu küçük çatlaklar kısıtlanmazsa, çeliğin içinde ilerleyebilir ve sonunda tüm yapısal malzemenin bozulmasına yol açabilir. Ve bu "Metal yorgunluğu " Olay, "çelik" yapı parçalarının en yaygın başarısızlık nedenlerinden biridir. Massachusetts Institute of Technology'de metalurji profesörü olan Cemal Cem Tasan, " Çoğu maddi arıza kazası, metal yorgunluğundan kaynaklanır. "
"Metal yorgunluğu", statik durumda metalin kalıcı deformasyonu için gerekli olan gerilimden çok daha küçük olsa bile, sürekli dinamik gerilim değişiklikleri nedeniyle metal yapısal parçaların yapısal bozulması olarak tanımlanır.
Örneğin, günlük olarak aldığımız uçaklarda, kalkış ve iniş sırasında kabindeki hava basıncı değişikliklerine genellikle hava basıncındaki değişiklikler eşlik eder, bu da kabin malzemelerinin tekrar tekrar genişlemesine ve büzülmesine neden olarak metalde küçük çatlaklara neden olabilir. Bu kadar uzun süreli periyodik stres altında, çatlaklar daha da büyüyebilir ve bu da tüm yapının aniden kırılmasına neden olabilir.
Aslında, Metal yorgunluğu, erken havacılık tarihinin birkaç uçak kazasına neden olan suçluydu. Profesör Tasang, "Mikro yapısı çatlak başladıktan sonra bile çatlağın yayılmasını etkili bir şekilde engelleyebilecek yeni bir malzeme tasarlayabilir miyiz?" Dedi.
Son zamanlarda, Japonya'daki Kyushu Üniversitesi'nden, Almanya'daki Max Planck Enstitüsü'nden ve Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden araştırmacılar Kemiklerden ilham aldı , Ultra yüksek yorulma kırılma direncine sahip bir model geliştirdi "Süper Çelik" . Araştırma sonuçları, yakın zamanda yayınlanan "Science" dergisinde yayınlandı (M. Koyama, vd. Science, 2017 (355), 1055-1057).
Aslında metal yapı parçalarının metal yorgunluğundan dolayı kırılmasını önlemek için, Her zaman malzeme mühendisliği bilim adamlarının karşılaştığı zor bir sorun olmuştur.
Bununla birlikte, tatmin edici olmayan, bu aşamada, mühendislerin genellikle yalnızca "geçici bir iyileştirme" yöntemini benimseyebilmeleridir, ancak kalıcı bir iyileştirme değil: yapıyı tasarlarken, belirli bir güvenlik marjı bırakmak için daha büyük bir güvenlik faktörü seçin. Kaçınılmaz olarak, bu hareket aynı zamanda fazladan maliyet ve ağırlık ekler ve aşağı yukarı mühendislerin acizliğini yansıtır: Ultra yüksek yorulma direncine sahip yeni bir yapısal malzeme türü tasarlamak, pasif suya benzer ve başlamayı imkansız kılar.
İnsan kemiğinin mikro yapısının şematik diyagramı ve çatlakların başlamasını önleme mekanizması
Ancak doğa bir kez daha araştırmacılara ilham verdi. Son yıllarda bilim adamları yavaş yavaş fark ettiler İnsan kemiklerinin mükemmel kırılma dayanıklılığı vardır. Özellikle insan kemiklerinin ağırlığı düşünüldüğünde, Bu hafif malzemenin olağanüstü performansı özellikle etkileyicidir.
Bilim adamları bunu keşfetti İnsan kemiklerinin süper sertliği Kök, çok katmanlı yapısından gelir (Hiyerarşik yapı) . Nanometre ölçeğinde, minik kollajen lifleri katmanlı bir şekilde düzenlenir ve farklı lif katmanlı katmanlar farklı yönlerde büyür. Daha büyük mikron ölçeğinde, bu yoğun lifli lameller, kristal kafeslere benzeyen yoğun kemikler oluşturur.
Bu ayırt edici yapısal özellikler Hafifliği ve güçlü bağları korurken insan kemikleri yapar, aynı zamanda çatlakların her yöne daha fazla genişlemesini önler.
Adi çelik ve "süper çeliğin" mikro yapısının şematik diyagramı
Ticari olarak kullanılan sıradan çelikle karşılaştırıldığında, bu süper çeliğin mikroyapısı, araştırmacılar tarafından geliştirilen nominal bileşim Fe-9Mn-3Ni-1.4Al-0.01C (kütle fraksiyonu) ile benzersizdir. Bu süper çeliğin üç özelliği bir arada: İlk olarak, birden fazla alaşım fazı içerir ( Birden fazla aşamadan oluşur). İkincisi, nano katmanlı bir yapıya sahiptir. Üçüncüsü, yarı kararlı bir aşaması var .
Bu malzemede, çatlak ucunun başlaması, orijinal ostenitin martensit yapısına dönüşmesine neden olacaktır. Bu dönüşüm hacim genişlemesine neden olacağından, malzemenin içinde artık gerilme (basınç) oluşacaktır ve bu daha sonra çatlakları bağlama ve başlatma rolünü oynayabilir. Vasıtasıyla Tam ostenit ve martensit faz bileşimi oranı sadece mikro çatlakların oluşumunu engellemekle kalmaz, aynı zamanda yeni kusurlara da neden olmaz.
Sadece bu değil, bu yeni süper çelik de Farklı sertliğe sahip çeşitli alaşım bileşimlerine sahiptir. Bu şekilde, bir çatlak başlatılsa bile, genişlemesi zor olacak, dolayısıyla bu küçük çatlakların daha fazla büyüme olasılığını azaltacaktır.
Ek olarak, Birden fazla alaşım fazından oluşan mikroyapı Malzemenin belirli alanlarının daha iyi esnek olmasını sağlayın, Bu, çeliğe uygulanan periyodik gerilmelerin emilmesine yardımcı olur. Bazı durumlarda, çatlakların başlangıcını köprülemek bile mümkündür. Bu şekilde, benzersiz arayüz yapısına, faz dağılımına ve faz kararlılığına sahip bu süper çelik, çatlak yayılmasına direnmek için aynı anda birden fazla mekanizmayı etkinleştirebilir.
Yorulma testleri, geleneksel çeliklerle karşılaştırıldığında (ferrit-martensitik çift fazlı çelikler, nano katmanlı perlit çelikler ve faz dönüşümünün neden olduğu plastiklik çelikleri gibi), Bu "süper çelik", mekanik çatlak direncinde önemli bir gelişmeye sahiptir.
Gelecekte bir gün mühendislerin bu tür çeliği köprülerin veya havacılık ekipmanlarının üretiminde kullanmaları, böylece metal yorgunluğundan kaynaklanan çatlakların başlamasını etkili bir şekilde önleyeceği veya beklenmedik bir anda bileşen kırılmasına neden olacağı düşünülebilir. Başarısızlık sorunu.
Bu süper çelik ortaya çıkmış olsa da, malzeme tasarımındaki bu sıçrama yalnızca "uzun bir yürüyüşün ilk adımı" olarak adlandırılabilir. Bu makalenin ilgili yazarlarından biri olan Profesör Tasang açıkça şunları söyledi: Bir sonraki adımda, hazırlık sürecini daha da genişletmeye ve ticarileştirme olasılığını keşfetmeye çalışacaklar.
Bununla birlikte, daha önce bildirilen yüksek entropili alaşımlar ve aynı zamanda ultra yüksek tokluğa sahip ipek ile karşılaştırıldığında, Çelik işleme ve hazırlama teknolojisi çok daha olgun. Kyushu Üniversitesi'nde malzeme profesörü olan Motomichi Koyama, bu makalenin ilk yazarı, Bu malzemeye geleneksel çelik işleme teknolojisi uygulanabilmelidir. Güvenle, "(Ar-Ge'ye kıyasla) malzemelerin genişlemesinin büyük bir sorun olmaması gerektiğini" söyledi.
