Geïnspireerd door de eigenschappen van botten met betrekking tot vermoeiing heeft een internationaal team een staalsoort ontwikkeld, waarvan de structuur die van het menselijk bot benadert en daardoor een vergelijkbare hoge weerstand tegen vermoeiing heeft.
Continue belasting van bepaalde onderdelen in bijvoorbeeld treinen, vliegtuigen of elektriciteitscentrales brengt een hoog risico op materiaalmoeheid en tenslotte breuk met zich mee. Onderzoeken om dit risico te verminderen zijn tot nu toe gebaseerd op dure veiligheidsmaatregelen die de statistische levensduur van onderdelen in de gaten houden.
De microstructuur van de gebruikte materialen werd echter, op grond van de vele mogelijke facetten van materiaalmoeheid, niet fundamenteel veranderd. Wetenschappers van het Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) in Düsseldorf, de Kyushu University Japan en het Massachusetts Institute of Technology kiezen voor een andere benadering.
Vermoeiing
Wanneer een materiaal regelmatig wordt belast, vormen zich in elk materiaal op micro- en nanoniveau kleine scheurtjes, die met de duur van de belasting groter worden en tot materiaalmoeheid kunnen leiden. Het doel van het onderzoeksteam was een materiaal te ontwikkelen dat op micro- en nanoniveau de uitbreiding van deze scheurtjes zo vroeg mogelijk stopt.
Het resultaat is een legering uit ijzer, mangaan, nikkel en aluminium. Het materiaal bestaat uit verschillende metastabiele fasen, die zijn geordend in lamellen in de ordegrootte van nanometers. Een fase is een kristalstructuur waarin de atomen in een metaal zijn geordend. Door deze structuur te beïnvloeden is het mogelijk de eigenschappen van het metaal fundamenteel te beïnvloeden.
De materiaalspecialisten pasten de structuur van de grenzen tussen de afzonderlijke fases (de zogeheten grensvlakken) en de stabiliteit van de fasen zodanig aan, dat het nieuw ontwikkelde staal bestand is tegen meervoudige scheurvorming op microniveau.
Volgende stappen
Er staan nu verdere optimaliseringsstappen op het programma, onder andere door thermodynamische en kinetische verbeteringen voor verdere stabilisering van de austenitische fasen, om de best mogelijke weerstand tegen vermoeiing te realiseren.
Het team gaat er van uit dat ze door toepassing van dezelfde materiaalopbouw ook andere legeringen kunnen verbeteren. Hierdoor biedt deze strategie een enorm potentieel om de veiligheid van structuurmaterialen die zijn blootgesteld aan cyclische belastingen, te optimaliseren.