參考骨頭結構以創造更堅固的鋼

科學家們從自然界中獲得了新的靈感——模仿骨頭開發一種新的鋼材。在受到反覆的應力時，新鋼材能夠比傳統鋼材堅持更久不開裂。

鋼鐵用於製造弔橋或者是摩天大樓。但是當鋼鐵反覆受到應力時會產生疲勞現象，例如，當卡車開過一座橋的時候或者是飛機在改變飛行高度時受到變化的壓力，隨著時間的推移，材料上會形成微小的裂縫。很多突發的致命威脅都是源於金屬疲勞，為此，用鋼材進行建造時需要更大的安全係數，這也增加了建造的成本。

在很多方面，骨頭比鋼鐵要出色。比如，在承重相同的情況下，骨頭比鋼鐵輕四到五倍。之前的研究已經發現，儘管骨頭由脆弱的礦物質組成，它的結構使得它具有更強的抗裂性。來自麻省理工的冶金學家Cem Tasan展開了一項研究，模仿骨頭的結構開發新的鋼鐵，令其具有更強的抗疲勞性。

之前的研究結果表明，骨頭抗裂性強，是因為其格子狀的內部結構令裂縫不能生長。為了設計新型合金，Tasan研究了兩種鋼材(鐵素體-滲碳體珠光體鋼和馬氏體-奧氏體相變誘導彈性鋼)，這兩種鋼材的結構可以和骨結構相媲美。

鐵素體-滲碳體鋼由數納米寬的層狀結構組成。這使得裂縫只存在於發生處的層上，無法生長出去。馬氏體-奧氏體鋼是亞穩態的，這意味著組成它的晶體可以在不同的穩定狀態下變換，這有助於鋼材吸收裂縫擴散的能量，甚至令其復原。這兩種鋼都是多相的，它們的結構中有不同硬度的晶體，裂縫不會沿著直線生長。由於裂縫接觸到的面積更大，它們與周圍材料的摩擦也就更大，從而減緩了裂縫的生長。

科學家們開發出了一種新的合金，結合了以上三種特性。這種鋼是由100到300納米寬的層狀結構組成。(人的頭髮直徑約為10萬納米)研究人員發現，這種新合金比常用於製造汽車車身的一種鋼抗裂性更高。研究的共同作者Motomichi Koyama說：「汽車鋼材的疲勞壽命(規定應力下，一材料試片破損所需應力循環數 )為10到100千周，而新合金的疲勞壽命為10000千周。」

這項研究成果會推動耐疲勞鋼的發展，對於汽車業和航空航天業有重要意義。

[bakako via insidescience]

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