تندمج الشقوق الناتجة عن التعب معًا مرة أخرى في المعادن - عالم الفيزياء

تندمج الشقوق الناتجة عن التعب معًا مرة أخرى في المعادن - عالم الفيزياء

الطابع الزمني: 21 آب (أغسطس) 2023 ، الساعة 8:00 صباحًا

صورة لريان شويل وهو ينظر إلى شاشة الكمبيوتر في مختبر مظلم يغمره ضوء الليزر الأحمر
دراسة شقوق الكلال على المقياس النانوي: يستخدم الباحث في مختبرات سانديا الوطنية ريان شويل تقنية المجهر الإلكتروني النافذ المتخصصة التي طورها خالد حتر ودان بوفورد وكريس بار لدراسة شقوق الكلال على المقياس النانوي. (بإذن من: كريج فريتز، مختبرات سانديا الوطنية)

لاحظ باحثون من مختبرات سانديا الوطنية (SNL) وجامعة تكساس إيه آند إم في الولايات المتحدة أن الشقوق في المعدن تصبح أقصر. الاكتشاف غير المتوقع - الشقوق تنمو عادة لفترة أطول - يقلب نظريات الكسر في المعادن رأسا على عقب ويمكن أن يساعد في تصميم المواد التي "تعالج" الأضرار الداخلية الخاصة بها.

عندما تتعرض المعادن للضغوط والانفعالات بشكل متكرر، تبدأ الشقوق المجهرية في التشكل. هذه الشقوق هي نوع من أضرار الإجهاد، وبمرور الوقت، تنمو وتنتشر حتى تؤدي في النهاية إلى فشل الهيكل - وغالبًا ما لا يمكن التنبؤ به.

وكان من المفترض أن يكون هذا النمو لا رجعة فيه، لكن الباحثين قادوه SNL عالم ومهندس مواد براد بويس وجدت أن هذا ليس صحيحا بالضرورة. في دراستهم، استخدموا مجهرًا إلكترونيًا معدّلًا خصيصًا سمح لهم بتصفية عينات البلاتين النانوية بشكل متكرر أثناء مراقبة ما يحدث بداخلها. وكما هو متوقع، فقد رأوا شقوق التعب النانوية تظهر في وقت مبكر من التجربة. ولكن بشكل غير متوقع، رأوا أيضًا أطراف الشقوق تندمج معًا مرة أخرى بعد حوالي 40 دقيقة.

يقول بويس: "كان من المتوقع على الإطلاق أن تصبح الشقوق أكبر، وليس أصغر". "حتى بعض المعادلات الأساسية التي نستخدمها لوصف نمو الشقوق تمنع إمكانية حدوث عمليات الشفاء هذه."

الكراك اللحام البارد

لم يكن فريق SNL يبحث عمدًا عن هذا التأثير عندما بدأت التجربة، ولكن بعد ملاحظته، حدد الأعضاء عملية عكس الضرر، أو "الشفاء الذاتي"، كشكل من أشكال اللحام البارد الذي يحدث عند جوانب الشقوق. يحدث هذا التأثير من خلال مزيج من الإجهاد المحلي وهجرة حدود الحبوب مايكل ديمكوفيتش، أستاذ علوم وهندسة المواد في تكساس ايه اند اموتوقع في عام 2013 أن ذلك ممكن.

يشرح ديمكوفيتش: "عندما تتغير البنية المجهرية للمادة، يمكنها أن تدفع القوى المتعارضة للصدع معًا". "إذا كانت تلك الوجوه نظيفة، فيمكنها الارتباط و"الشفاء" عن طريق اللحام البارد".

في حين أن الباحثين قاموا بتصنيع مواد ذاتية الشفاء من قبل، إلا أنها كانت مصنوعة بشكل أساسي من البلاستيك، وليس المعدن. ومع ذلك، فقد حسب ديمكوفيتش أنه في ظل ظروف معينة، يجب أن تكون المعادن قادرة على لحام الشقوق الناتجة عن تلف الكلال. "لقد ثبت أنه من الصعب التوصل إلى تجربة يمكن أن تختبر توقعي، لكن الباحثين في SNL، الذين كانوا في الواقع يعملون على فهم تطور الضرر العام، انتهى بهم الأمر بالصدفة إلى مراقبة العملية التي افترضتها".

على المدى القريب، يقول ديمكوفيتش عالم الفيزياء أن النتائج التي توصل إليها الفريق ستساعد في تحسين نظريات الكسور في المعادن. وعلى المدى الطويل، قد تؤدي هذه التجارب إلى استراتيجيات جديدة لتصميم معادن مقاومة للضرر.

ولهذا الدراسة تفصيلها في الطبيعةأجرى الباحثون قياساتهم في الفراغ، لذا فمن غير الواضح ما إذا كان شفاء الشقوق يمكن أن يحدث أيضًا في الهواء. ويرغب الباحثون الآن في معرفة ما إذا كان هذا ممكنًا.

الطابع الزمني:

اكثر من عالم الفيزياء