FATIGUE OF NATURAL MATERIALScyclic

FATIGUE OF NATURAL MATERIALS

cyclic loading is very common in nature, and many biological materials fail by fatigue, but as yet we know very little about their fatigue characteristics. One exception is bone, which has been studied quite extensively [5]: fatigue cracks initiate in bone as a result of normal daily activities but usually do not propagate to failure thanks to bone’s
self-healing ability. Excessive loading (e.g. in professional athletes) or poor-quality bone (e.g. due to osteoporosis) gives rise to fatigue failures which are referred to by doctors as “stress fractures”. Recently we have been carrying out tests to measure, for the first time, fatigue behaviour in three other natural materials: insect cuticle; bamboo and cells.

Fig. 3 shows fatigue data on the legs and wings of insects, from a recent publication [6]. These body parts are made from essentially the same material – known as “cuticle” – but the cuticle found in the legs contains more fibres of chitin and is significantly anisotropic. This is reflected in the smaller fatigue range for leg material, with an endurance limit at one million cycles around 70% of the failure stress, in contrast to the wing material which shows fatigue at less than 50% of its tensile strength. Legs (which are essentially hollow, thin-walled tubes) were tested in cyclic cantilever bending and displayed two different failure modes: traditional cracking on the tensile side and progressive buckling on the compression side, suggesting that the evolution of these body parts has generated an optimal structure, equally resistant to failure in compression and tension.


Fig. 4 shows data (as yet unpublished) for bamboo. Surprisingly, we could find no fatigue data for this material in the published literature, despite its widespread use. These data were generated by cutting tube samples from the culm and loading them in compression across the diameter, thus generating fatigue failure by longitudinal splitting. A large fatigue range exists, which should be taken into account when this material is employed for structural purposes.
My final example of fatigue in natural materials concerns living cells. Our bodies, and those of animals and plants, contain different types of cells, which perform specific functions. Many cells experience cyclic loading, so the question arises as to whether they ever fail by fatigue. This is a difficult question to answer by experimental means: cells are small (typically 10- 100m in diameter) and very soft and flexible, consisting of an outer membrane of lipid molecules supported by a cytoskeleton consisting of relatively stiff protein molecules which line the membrane and also pass across the cell body, conferring some overall rigidity and allowing the cell to move and change shape.
Though there have been a number of studies to measure the elastic stiffness and viscoelastic properties of cells, there are only a very few reports of monotonic tests to failure, and no data on fatigue failure for any type of cell. We devised a test which makes use of the fact that a certain type of cell – known as an osteocyte – lives inside our bones. These cells are connected to each other via long, thin extensions of the cell body known as cellular processes (see Fig. 5).
We noticed that, where a bone contains cracks, these cellular processes can be seen passing across the open crack. Therefore, by applying cyclic loading to the bone, causing these cracks to open and close, we could conduct fatigue tests on individual cellular processes. Our initial results were published showing the number of cycles to failure as a function of cyclic crack opening [8]; in more recent work (shortly to be published in the Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials) we used finite element modelling to estimate the cyclic strain and therefore generate the first ever strain-life curve for material taken from a living cell (see Fig. 6).
This work has some significant limitations: in order to observe failure of these cellular processes (which are only 200nm in diameter) we had to conduct the tests inside a scanning electron microscope using an in situ loading stage. Limits on resolution meant that we were only able to measure relatively large strains and therefore small numbers of cycles to failure, up to 10. Interestingly the results are quite similar to fatigue of metallic materials in the very low cycle regime.
These findings are of importance because we believe that the fatigue failure of these cellular processes, at the point where they span an open crack in the bone matrix, could be a crucial step in the complex system by which fatigue cracks in bone are repaired, ensuring the continued integrity of the skeleton.

Kết quả (Việt) 1:

MỆT MỎI CỦA VẬT LIỆU TỰ NHIÊNcyclic tải là rất phổ biến trong tự nhiên, và rất nhiều vật liệu sinh học thất bại bởi sự mệt mỏi, nhưng như chúng ta biết rất ít về đặc điểm mệt mỏi của họ. Một ngoại lệ là xương, mà đã được nghiên cứu khá rộng rãi [5]: mệt mỏi vết nứt bắt đầu trong xương là kết quả của hoạt động bình thường hàng ngày, nhưng thường không truyền cho sự thất bại nhờ của xươngcó khả năng tự chữa bệnh. Nạp quá nhiều (ví dụ như trong các vận động viên chuyên nghiệp) hoặc kém chất lượng xương (ví dụ như là do loãng xương) đưa đến thất bại mệt mỏi được gọi bởi các bác sĩ như "stress gãy xương". Gần đây chúng tôi đã thực hiện các xét nghiệm để đo lường, lần đầu tiên, mệt mỏi hành vi trong ba các vật liệu tự nhiên khác: côn trùng da chết; tre và các tế bào. Hình 3 cho thấy mệt mỏi dữ liệu trên chân và cánh của côn trùng, một ấn phẩm tại [6]. Các bộ phận cơ thể được thực hiện từ chủ yếu là các vật liệu tương tự-được gọi là "lớp biểu bì"- nhưng lớp biểu bì ở chân chứa thêm các loại sợi chitin và đẳng hướng một cách đáng kể. Điều này được phản ánh trong phạm vi mệt mỏi nhỏ hơn cho các tài liệu chân, với một giới hạn độ bền tại một triệu chu kỳ khoảng 70% của sự căng thẳng của sự thất bại, trái ngược với vật liệu cánh cho thấy mệt mỏi tại ít hơn 50% sức mạnh của nó. Chân (mà về cơ bản rỗng, mỏng-tường ống) đã được thử nghiệm trong nhóm cyclic cantilever uốn và hiển thị hai thất bại khác nhau chế độ: truyền thống nứt trên độ bền kéo phụ và tiến bộ oằn bên nén, cho thấy sự tiến triển của những cơ thể bộ phận đã tạo ra một cấu trúc tối ưu, đều chịu thất bại trong nén và căng thẳng.Hình 4 cho thấy dữ liệu (như được nêu ra chưa được công bố) cho tre. Đáng ngạc nhiên, chúng tôi có thể tìm thấy không có dữ liệu mệt mỏi cho tài liệu này trong các tài liệu được xuất bản, mặc dù nó được sử dụng phổ biến rộng rãi. Những dữ liệu đã được tạo ra bằng cách cắt ống mẫu từ culm và tải chúng trong nén trên kính, do đó tạo ra sự thất bại mệt mỏi thông qua việc tách theo chiều dọc. Một phạm vi lớn mệt mỏi tồn tại, mà nên được đưa vào tài khoản khi vật liệu này được sử dụng cho mục đích cơ cấu.Ví dụ của tôi cuối cùng của sự mệt mỏi trong vật liệu tự nhiên liên quan đến các tế bào sống. Cơ thể chúng ta, và những loài động vật và thực vật, chứa các loại khác nhau của các tế bào thực hiện chức năng cụ thể. Các tế bào nhiều kinh nghiệm cyclic tải, vì vậy câu hỏi đặt ra là để cho dù họ bao giờ thất bại bởi sự mệt mỏi. Đây là một câu hỏi rất khó trả lời bằng phương tiện thử nghiệm: tế bào là nhỏ (thường 10-100m đường kính) và rất mềm và linh hoạt, bao gồm một màng ngoài của lipid phân tử hỗ trợ bởi một tóp bao gồm các phân tử protein tương đối cứng mà dòng màng tế bào và cũng vượt qua trên tế bào cơ thể, trao một số độ cứng tổng thể và cho phép các tế bào để di chuyển và thay đổi hình dạng.Mặc dù đã có một số nghiên cứu để đo độ cứng đàn hồi và viscoelastic thuộc tính của tế bào, đó là chỉ một rất ít báo cáo của các xét nghiệm monotonic thất bại, và không có dữ liệu về mệt mỏi thất bại cho bất kỳ loại tế bào. Chúng tôi nghĩ ra một thử nghiệm mà làm cho việc sử dụng một thực tế rằng một loại tế bào-được gọi là một osteocyte-cuộc sống bên trong xương của chúng tôi. Các tế bào này được kết nối với nhau thông qua thời gian dài, mỏng Tiện ích mở rộng của các cơ quan tế bào được biết quá trình như di động (xem hình 5).Chúng tôi nhận thấy rằng, nơi mà xương chứa các vết nứt, các quá trình tế bào có thể nhìn thấy đi qua khắp các crack mở. Do đó, bằng cách áp dụng cyclic nâng xương, gây ra những vết nứt mở và đóng cửa, chúng tôi có thể tiến hành xét nghiệm mệt mỏi về quá trình tế bào cá nhân. Chúng tôi kết quả ban đầu đã được xuất bản Hiển thị số chu kỳ để thất bại như là một chức năng của nhóm cyclic crack mở [8]; trong các tác phẩm gần đây (sớm để được công bố trên tạp chí của hành vi của cơ học của vật liệu y sinh) chúng tôi sử dụng mô hình phần tử hữu hạn để ước tính sự căng thẳng cyclic và do đó tạo ra lần đầu tiên bao giờ căng thẳng cuộc sống đường cong cho tài liệu Lấy từ một cuộc sống di động (xem hình 6).Công việc này có một số hạn chế quan trọng: để quan sát sự thất bại của các quá trình di động (mà chỉ 200nm đường kính), chúng tôi đã phải tiến hành các xét nghiệm bên trong một kính hiển vi điện tử quét bằng cách sử dụng một giai đoạn trong tải. Giới hạn về độ phân giải có nghĩa rằng chúng tôi đã chỉ có thể đo lường chủng tương đối lớn và số lượng các chu kỳ để thất bại, lên đến 10 do đó nhỏ. Điều thú vị, kết quả là khá tương tự như mệt mỏi của các vật liệu kim loại trong chế độ chu kỳ rất thấp.Những phát hiện này có tầm quan trọng bởi vì chúng tôi tin rằng sự thất bại mệt mỏi của các quá trình di động, tại thời điểm nơi họ span một crack mở trong ma trận xương, có thể là một bước rất quan trọng trong hệ thống phức tạp bởi sự mệt mỏi mà vết nứt xương đang sửa chữa, đảm bảo sự toàn vẹn tiếp tục của bộ xương.

Kết quả (Việt) 2:

Mệt mỏi TỰ NHIÊN LIỆU

tải cyclic là rất phổ biến trong tự nhiên, và nhiều vật liệu sinh học không mệt mỏi, nhưng vẫn chưa chúng ta biết rất ít về đặc tính mỏi của họ. Một ngoại lệ là xương, mà đã được nghiên cứu khá rộng rãi [5]: vết nứt mỏi khởi trong xương như một kết quả của các hoạt động bình thường hàng ngày nhưng thường không tuyên truyền cho sự thất bại nhờ xương của
khả năng tự phục hồi. Tải quá nhiều (ví dụ như trong các vận động viên chuyên nghiệp) hoặc xương kém chất lượng (ví dụ như do loãng xương) làm phát sinh thất bại mệt mỏi mà được gọi bằng bác sĩ là "gãy xương căng thẳng". Gần đây chúng tôi đã và đang thực hiện các xét nghiệm để đo lường, lần đầu tiên, hành vi mệt mỏi trong ba vật liệu tự nhiên khác: lớp biểu bì của côn trùng; tre và các tế bào.

Hình. 3 cho thấy dữ liệu mệt mỏi trên đôi chân và cánh của côn trùng, từ một ấn phẩm gần đây [6]. Những bộ phận cơ thể được làm từ chất chất liệu tương tự - được gọi là "lớp da ngoài" - nhưng các lớp biểu bì tìm thấy ở chân chứa nhiều sợi chitin và là đáng kể dị hướng. Điều này được phản ánh trong phạm vi nhỏ hơn mệt mỏi cho các tài liệu chân, với một giới hạn chịu đựng ở một triệu chu kỳ khoảng 70% của sự căng thẳng thất bại, ngược lại với các nguyên liệu cánh đó cho thấy sự mệt mỏi ở mức dưới 50% của độ bền kéo của nó. Chân (mà cơ bản là rỗng, ống thành mỏng) đã được thử nghiệm trong cantilever cyclic uốn và hiển thị hai chế độ thất bại khác nhau: nứt truyền thống ở phía chịu kéo và oằn tiến trên hành trình nén, cho thấy sự tiến hóa của các bộ phận cơ thể đã tạo ra một cấu trúc tối ưu, đều chịu thất bại trong nén và căng thẳng.


Hình. 4 hiển thị dữ liệu (vì chưa công bố) cho tre. Đáng ngạc nhiên, chúng ta có thể tìm thấy không có dữ liệu mệt mỏi cho vật liệu này trong các tài liệu công bố, mặc dù sử dụng rộng rãi của nó. Những dữ liệu này được tạo ra bằng cách cắt các mẫu ống từ cộng rơm và tải chúng trong nén trên đường kính, do đó tạo ra sự thất bại mệt mỏi bằng cách chia tách theo chiều dọc. Một loạt mỏi lớn tồn tại, nên được đưa vào tài khoản khi vật liệu này được sử dụng cho các mục đích cơ cấu.
Ví dụ cuối cùng của tôi về sự mệt mỏi trong các vật liệu tự nhiên lo ngại các tế bào sống. Cơ thể chúng ta, và những động vật và thực vật, chứa các loại tế bào khác nhau, trong đó thực hiện các chức năng cụ thể. Nhiều tế bào kinh nghiệm tải theo chu kỳ, vì vậy câu hỏi đặt ra là liệu họ có bao giờ thất bại bởi sự mệt mỏi. Đây là một câu hỏi khó trả lời bằng thực nghiệm: tế bào nhỏ (thường là 10 100m đường kính) và rất mềm mại và linh hoạt, bao gồm một màng ngoài của các phân tử lipid được hỗ trợ bởi một bộ khung tế bào bao gồm các phân tử protein tương đối cứng mà dòng màng và cũng vượt qua trên các tế bào cơ thể, trao một số độ cứng tổng thể và cho phép các tế bào để di chuyển và thay đổi hình dạng.
Mặc dù đã có một số nghiên cứu để đo độ cứng đàn hồi và tính chất viscoelastic của các tế bào, chỉ có một số rất ít các báo cáo các bài kiểm tra đơn điệu đến thất bại, và không có dữ liệu về thất bại mệt mỏi cho bất kỳ loại tế bào. Chúng tôi nghĩ ra một bài kiểm tra mà làm cho việc sử dụng thực tế là một loại nhất định của tế bào - gọi là osteocyte - sống bên trong xương của chúng ta. Những tế bào này được kết nối với nhau thông qua, mở rộng mỏng dài của các tế bào cơ thể được gọi là quá trình tế bào (xem hình. 5).
Chúng tôi nhận thấy rằng, khi một xương chứa các vết nứt, các quá trình tế bào có thể được nhìn thấy đi qua vết nứt mở. Vì vậy, bằng cách áp tải theo chu kỳ đến tận xương, gây ra các vết nứt để mở và đóng, chúng ta có thể tiến hành kiểm tra độ mỏi về quá trình tế bào cá nhân. Kết quả ban đầu của chúng tôi đã được công bố cho thấy số lượng các chu kỳ để thất bại như một chức năng của mở vết nứt cyclic [8]; trong công việc gần đây (trong thời gian ngắn sẽ được công bố trên Tạp chí của các hành vi cơ học của vật liệu y sinh), chúng tôi sử dụng mô hình phần tử hữu hạn để ước tính sự căng thẳng theo chu kỳ và do đó tạo ra các đường cong đầu tiên bao giờ căng thẳng trong cuộc sống cho các tài liệu được lấy từ một tế bào sống (xem hình .. 6)
công việc này có một số hạn chế đáng kể: để quan sát thất bại của các quá trình tế bào (trong đó chỉ có 200nm đường kính), chúng tôi đã tiến hành kiểm tra bên trong kính hiển vi điện tử quét sử dụng trong giai đoạn situ tải. Giới hạn về độ phân giải có nghĩa là chúng ta chỉ có thể đo lường chủng tương đối lớn và do đó số nhỏ của chu kỳ thất bại, lên đến 10 điều thú vị kết quả là khá tương tự như sự mệt mỏi của vật liệu kim loại trong chế độ chu kỳ rất thấp.
Những phát hiện này có tầm quan trọng bởi vì chúng tôi tin rằng sự thất bại mệt mỏi của các quá trình tế bào, tại điểm mà họ trải một vết nứt mở trong nền xương, có thể là một bước quan trọng trong các hệ thống phức tạp mà các vết nứt mỏi trong xương được sửa chữa, đảm bảo tính toàn vẹn liên tục của bộ xương.