Afdækning af de små defekter, der får materialer til at svigte

Materialer udgør verden omkring os. De er overalt, lige fra træ, plastik og keramik i vores hjem, til de metaller og beton, der bruges til at bygge bygninger og broer. Men over tid kan materialer nedbrydes, deres struktur ændres, de bliver mindre pålidelige og nogle gange fejler de endda helt – med katastrofale konsekvenser.

En stor udfordring med ingeniørmaterialer som stål er derfor at sikre, at de holder så længe som muligt. Det betyder, at man skal finde måder at modvirke "materiale-nedbrydningsprocesser" såsom træthed fra cykliske belastninger; krybning (langsom deformation) forårsaget af mekanisk belastning ved høje temperaturer; slitage fra komponenter, der gnider mod hinanden; og korrosion udløst af kemikalier i miljøet, herunder vand, salte og aggressive gasser.

Nedbrydning kan bygge subtilt, indtil hele strukturen pludselig svigter

Det kan være udfordrende at forstå, hvordan materialer ændrer sig under disse processer, da de underliggende mekanismer ofte opstår på atomniveau. Små bevægelser eller reaktioner af individuelle atomer er umærkelige for de menneskelige sanser, men når de multipliceres over milliarder eller billioner af atomer, opbygges de til dramatiske ændringer i materialet. Disse ændringer kan forekomme på små niveauer i årevis, før der observeres en mærkbar ændring i en komponent, og nedbrydning kan opbygges subtilt, indtil hele strukturen pludselig svigter.

Ufuldkomne krystaller

Mange vigtige materialer, såsom metaller, silicium eller diamant, er krystaller - højt ordnede gentagne enheder af atomer. Deres regelmæssige gitterformationer kan producere et utal af nyttige egenskaber, såsom styrke, varmeledningsevne, elektrisk ledningsevne og optisk gennemsigtighed. Selvom disse egenskaber er enormt vigtige for applikationer og er optimeret af en perfekt krystalstruktur, er det afvigelserne fra perfektion, der er nøglen til materialenedbrydning.

Disse "defekter" kan antage mange former, det enkleste tilfælde er et manglende atom - eller ledig plads - i det gentagne gitter (figur 1). Mere komplekse langtrækkende defekter omfatter dislokationer, hvor hele linjer eller spiraler af atomer kan være malplaceret. Der er også korngrænser, hvor områder af krystal, der er dannet i forskellige vinkler, mødes, hvilket kan efterlade en linje af atomer med forkert justerede bindinger. Inkluderingen af ​​yderligere kemiske elementer til et materiale kan komplicere dets struktur endnu mere. Nye faser kendt som bundfald kan dannes, og da disse sandsynligvis har forskellige strukturer i forhold til bulkkrystallen, introducerer de områder med forskellige egenskaber.

Når en defekt oplever ydre påvirkninger, såsom stresskraft, en ændring i temperatur eller endda et kemisk angreb, kan der opstå mange komplekse og interessante interaktioner. Atomerne ved defekter har ikke den samme bindingsstruktur som dem i hovedkrystallen og kan mangle bindinger helt. Det betyder, at defekterne er nemmere at flytte under stress og lettere kan reagere med andre kemiske elementer for at danne nye bindinger.

At forstå, hvordan en simpel defekt påvirkes af en enkelt nedbrydningsmekanisme, såsom øget stress, temperatur eller kemisk reaktion, kan være relativt ligetil. Men en komponent i en bro, et fly eller en atomreaktor kan have milliarder af sådanne interaktioner, der forekommer i komplekse miljøer. Det er enormt udfordrende at afdække, hvordan disse individuelle mikroskopiske processer kombineres til komplicerede makroskopiske ændringer på tværs af en komponent, men innovative værktøjer og tilgange gør det nu muligt for materialeforskere at studere disse nedbrydningsproblemer på nye måder.

Især lader fremkomsten af ​​højhastighedsmikroskoper os karakterisere atomare skala defekter hurtigere og over større områder end nogensinde før. I mellemtiden betyder teknikker som maskinlæring, billedgenkendelse og databehandling, at vi kan studere større datasæt. Tilsammen opnår vi ny indsigt på atomniveau i, hvordan materialer nedbrydes, hvilket igen lader os komme med bedre forudsigelser om, hvordan materialer i sidste ende kan fejle.

Spændingskorrosionsrevner

En særlig kompleks måde, hvorpå materialer nedbrydes, er "stress corrosion cracking" (SCC). Det forekommer i metaller, når et modtageligt materiale oplever en høj belastning i et korrosivt miljø, hvor kombinationen af ​​disse tre faktorer i sidste ende fører til pludselige og uventede revner. SCC kan ske ved både høje temperaturer - for eksempel i flymotorer og kølevæskekredsløb i atomreaktorer - og lave temperaturer, såsom med havvind- eller olieplatforme. Det er især udbredt, hvor der er salt til stede, hvilket bringer materialer ud på havet, især i fare. Slutresultatet kan blive katastrofalt svigt – både synker, motorer svigter, broer kollapser, og gasrørledninger eksploderer.

For fuldt ud at forstå denne unikke fejlproces er vi nødt til at finde ud af, hvordan den starter. Dette er dog meget vanskeligt at gøre, da hændelsen sker på tilfældige tidspunkter, og hvis et revne allerede er begyndt, er processens oprindelse sandsynligvis skjult af den skade, der er skabt.

For at løse problemet har vores team på University of Bristol bruger flere mikroskopimetoder til at se revner, når de udvider sig i realtid. En metode Det har vist sig at være særligt nyttigt til at analysere småskala variationer i mikrostrukturelle overfladetræk, er højhastigheds atomkraftmikroskopi (HS-AFM) (se boks).

HS-AFM er ideel til at studere SCC, fordi eksperimenter kan foregå i en væske, og nedbrydningen kan observeres i realtid. Vores team designede derfor et bukkeapparat, der kan holde en prøve under trækspænding i et ætsende væskemiljø - og var i stand til at udføre det første eksperiment af sin art (npj Materiale Nedbrydning 5 3).

Materialet, vi testede, var en prøve af rustfrit stål, der var blevet varmebehandlet for at gøre mikrostrukturen mere modtagelig for SCC - varmen ændrer størrelsen af ​​korn og tilstedeværelsen af ​​bundfald, og den flytter også kemiske elementer rundt og gør korngrænserne mere sårbare til kemisk angreb. Trækspænding, dvs. spænding, der virker til at trække prøven fra hinanden, blev påført stålet via en trepunkts bøjningsrig (figur 3). Samtidig blev prøven holdt i et ætsende væskemiljø med 395 ppm natriumthiosulfat, som ofte findes i olie- og gasrørledninger.

Disse forhold er særligt relevante inden for nukleare applikationer og er kendt for at inducere intergranulær SCC - hvor revnen dannes langs korngrænserne snarere end gennem kornet. Målinger med HS-AFM blev derfor koncentreret langs materialets korngrænser for at observere processerne før og under SCC.

Med en vis dygtighed, lidt held og en hel masse tålmodighed var vi i stand til at præstere on-site og realtidsobservationer af SCC

Der kræves ofte mange forsøg for at afbilde SCC med succes, da der er ringe måde at forudsige, hvilke korngrænser revnen vil starte ved, og hvilke den vil udvikle sig langs. Med en vis dygtighed, lidt held og en hel masse tålmodighed var vi i stand til at præstere in situ og realtidsobservationer af SCC efterhånden som revnen udviklede sig langs en korngrænse, som vist i figur 3. Denne måling gav ny indsigt i revneadfærd og afslørede måden hvorpå kornene skiltes. I stedet for blot at trække fra hinanden i plan, fik revnen også et korn til at løfte sig, efterhånden som revnen skred frem, hvilket producerede en klippebevægelse. Denne adfærd viste sig at være resultatet af sprækkeudbredelse under overfladen, hvilket forårsagede bevægelse af kornene ved prøveoverfladen.

Evnen til at tage topografiske billeder i høj opløsning af revneudbredelsen er særlig nyttig, da det hjælper med at forbedre beregningsmodeller af SCC. Denne information er kraftfuld – ved at vide, hvilken del af materialets struktur der er angrebet af SCC, kan vi være med til at designe belægninger og nye materialer til at beskytte mod angreb og få komponenter til at holde længere. Billedet er dog ufuldstændigt, og ofte har vi brug for komplementære teknikker for at afslutte historien.

Komplementær analyse

Korrosionsprocesser, såsom SCC, er komplekse systemer, der består af både fysiske og elektrokemiske ændringer. Nye teknikker, som HS-AFM, gør det muligt for forskere at låse op for yderligere indsigt i sådanne mekanismer, men for at opnå fuld forståelse af et materiales adfærd er én teknik ofte ikke tilstrækkelig i sig selv. Der kræves flere komplementære teknikker, som muliggør måling af overflade- og underjordiske processer, kemiske ændringer og elektriske signaler på tværs af forskellige længder og tidsskalaer.

Der er mange teknikker, der kan bruges sammen til at låse op for forskellige informationer om et materiale (figur 4). For eksempel kan elektron backscatter diffraktion (EBSD) i et scanning elektronmikroskop (SEM) eller diffraktion i et transmissionselektronmikroskop (TEM) fortælle os om de relative vinkler af krystalgitteret inden for forskellige områder (eller korn) af et materiale (figur 5). Dette giver indsigt i de lokale spændinger ved en revne, og hvorfor en bestemt region af et materiale kan være sårbar over for angreb først.

Teknikker såsom energi-dispersiv røntgenspektroskopi (EDX) på både TEM og SEM samt atom probe tomography (APT) giver information om grundstofsammensætningen af ​​en prøve, hvilket giver fingerpeg om de kemiske ændringer, der opstår, når ætsende reaktioner tager placere. Røntgen- og ultraviolet fotoemissionsspektroskopi ved hjælp af et elektronspektroskopi til kemisk analyse (NanoESCA) instrument kan give utrolige oplysninger om det lokale elektroniske miljø på en prøveoverflade. Det kan for eksempel fortælle os om, hvor sandsynligt det er, at forskellige områder af et materiale mister en elektron, og derfor kan de være mere sårbare over for korrosion.

Hver af disse avancerede mikroskopiteknikker har sine egne styrker og kan give information om forskellige længdeskalaer af et materiale, fra skalaen af ​​millimeter ned til individuelle atomer. Ved at bruge den rigtige blanding af teknikker kan forskerne samle uovertruffen indsigt i strukturen, kemien, lokal stress og det kemiske miljø, så vi kan fjerne årsagerne til fejl på nye detaljeringsniveauer.