@ 2017.04.15 , 12:00
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参考骨头结构以创造更坚固的钢

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科学家们从自然界中获得了新的灵感——模仿骨头开发一种新的钢材。在受到反复的应力时,新钢材能够比传统钢材坚持更久不开裂。

钢铁用于制造吊桥或者是摩天大楼。但是当钢铁反复受到应力时会产生疲劳现象,例如,当卡车开过一座桥的时候或者是飞机在改变飞行高度时受到变化的压力,随着时间的推移,材料上会形成微小的裂缝。很多突发的致命威胁都是源于金属疲劳,为此,用钢材进行建造时需要更大的安全系数,这也增加了建造的成本。

在很多方面,骨头比钢铁要出色。比如,在承重相同的情况下,骨头比钢铁轻四到五倍。之前的研究已经发现,尽管骨头由脆弱的矿物质组成,它的结构使得它具有更强的抗裂性。来自麻省理工的冶金学家Cem Tasan展开了一项研究,模仿骨头的结构开发新的钢铁,令其具有更强的抗疲劳性。

之前的研究结果表明,骨头抗裂性强,是因为其格子状的内部结构令裂缝不能生长。为了设计新型合金,Tasan研究了两种钢材(铁素体-渗碳体珠光体钢和马氏体-奥氏体相变诱导弹性钢),这两种钢材的结构可以和骨结构相媲美。

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铁素体-渗碳体钢由数纳米宽的层状结构组成。这使得裂缝只存在于发生处的层上,无法生长出去。马氏体-奥氏体钢是亚稳态的,这意味着组成它的晶体可以在不同的稳定状态下变换,这有助于钢材吸收裂缝扩散的能量,甚至令其复原。这两种钢都是多相的,它们的结构中有不同硬度的晶体,裂缝不会沿着直线生长。由于裂缝接触到的面积更大,它们与周围材料的摩擦也就更大,从而减缓了裂缝的生长。

科学家们开发出了一种新的合金,结合了以上三种特性。这种钢是由100到300纳米宽的层状结构组成。(人的头发直径约为10万纳米)研究人员发现,这种新合金比常用于制造汽车车身的一种钢抗裂性更高。研究的共同作者Motomichi Koyama说:“汽车钢材的疲劳寿命(规定应力下,一材料试片破损所需应力循环数 )为10到100千周,而新合金的疲劳寿命为10000千周。”

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这项研究成果会推动耐疲劳钢的发展,对于汽车业和航空航天业有重要意义。

本文译自 insidescience,由译者 bakako 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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TOTAL COMMENTS: 10+1

  1. 3423892

    我觉得骨头最大的优势是可以代谢和自我修复

  2. 3423895

    成本是关键。合金钢原本就是掺入杂质(合金元素)使钢铁晶格发生错位变化,从而产生更大的内应力来增加强度……这个还是一样的原理,就看成本如何了。

  3. 温水配白饭
    @9 months ago
    3423896

    看到更持久,男人放心了,女人开心了

  4. 温水配白饭
    @9 months ago
    3423898

    这项应用如果实惠有用,首先会应用于军工业,军迷表示很开心

  5. 3423919

    抗疲劳金属?大众的刀片悬挂有救了!足够开出三包期!
    其实还是桥梁建筑等方面应用更大,汽车行业根本不需要那么耐久的结构,10年左右的汽车平均寿命,用合金实在太浪费了。

  6. 达斯·西迪厄斯
    @9 months ago
    3423936

    我要把你的头盖骨做成酒杯!

  7. 3424053

    三千年来中国就是这样的钢材打刀的

  8. autoria
    @9 months ago
    3424168

    我上个煎蛋都要看到铁碳相图

  9. 3424246

    金刚狼:我有一句mmp不知当不当讲…

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