Ermüdungsbedingte Risse verschmelzen in Metallen wieder miteinander – Physics World

Ermüdungsbedingte Risse verschmelzen in Metallen wieder miteinander – Physics World

Zeitstempel: 21. August 2023, 8:00 Uhr

Foto von Ryan Schoell, der in einem dunklen, in rotes Laserlicht getauchten Labor auf einen Computerbildschirm blickt
Untersuchung von Ermüdungsrissen im Nanobereich: Der Forscher der Sandia National Laboratories, Ryan Schoell, verwendet eine spezielle Transmissionselektronenmikroskoptechnik, die von Khalid Hattar, Dan Bufford und Chris Barr entwickelt wurde, um Ermüdungsrisse im Nanobereich zu untersuchen. (Mit freundlicher Genehmigung von Craig Fritz, Sandia National Laboratories)

Forscher der Sandia National Laboratories (SNL) und der Texas A&M University in den USA haben beobachtet, dass Risse in einem Metall kürzer werden. Der unerwartete Befund – Risse werden normalerweise länger – stellt Theorien über Brüche in Metallen auf den Kopf und könnte bei der Entwicklung von Materialien helfen, die ihre eigenen inneren Schäden „heilen“.

Wenn Metalle wiederholt Spannungen und Belastungen ausgesetzt sind, beginnen sich mikroskopisch kleine Risse zu bilden. Bei diesen Rissen handelt es sich um eine Art Ermüdungsschaden, der mit der Zeit wächst und sich ausbreitet, bis er schließlich zum Versagen der Struktur führt – oft unvorhersehbar.

Man ging davon aus, dass ein solches Wachstum irreversibel sei, doch die Forscher gingen davon aus SNL Materialwissenschaftler und Ingenieur Brad Boyce festgestellt, dass dies nicht unbedingt wahr ist. In ihrer Studie verwendeten sie ein speziell modifiziertes Elektronenmikroskop, das es ihnen ermöglichte, nanoskalige Platinproben wiederholt zu belasten und dabei zu beobachten, was in ihnen passiert. Wie erwartet sahen sie schon früh im Experiment nanoskalige Ermüdungsrisse. Unerwarteterweise sahen sie jedoch auch, wie die Enden der Risse etwa 40 Minuten später wieder miteinander verschmolzen.

„Man hatte immer erwartet, dass Risse größer und nicht kleiner werden“, sagt Boyce. „Sogar einige der Grundgleichungen, die wir zur Beschreibung des Risswachstums verwenden, schließen die Möglichkeit solcher Heilungsprozesse aus.“

Rissflanken-Kaltschweißung

Das SNL-Team suchte zu Beginn des Experiments nicht gezielt nach diesem Effekt, aber nachdem es ihn beobachtet hatte, identifizierten die Mitglieder den Schadensumkehrprozess oder die „Selbstheilung“ als eine Form des Kaltschweißens, das an den Flanken von Rissen auftritt. Dieser Effekt wird durch eine Kombination aus lokaler Spannung und Korngrenzenwanderung hervorgerufen Michael Demkowicz, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der Texas A & M, sagte 2013 voraus, dass es möglich sei.

„Wenn sich die Mikrostruktur des Materials verändert, kann es die gegensätzlichen Kräfte eines Risses zusammendrücken“, erklärt Demkowicz. „Wenn diese Flächen sauber sind, können sie sich durch Kaltschweißen verbinden und ‚heilen‘.“

Obwohl Forscher schon früher selbstheilende Materialien hergestellt haben, bestanden diese hauptsächlich aus Kunststoff und nicht aus Metall. Demkowicz berechnete jedoch, dass Metalle unter bestimmten Bedingungen in der Lage sein sollten, durch Ermüdungsschäden entstandene Risse zu verschweißen. „Es erwies sich als schwierig, ein Experiment zu entwickeln, das meine Vorhersage überprüfen konnte, aber die SNL-Forscher, die tatsächlich daran arbeiteten, die allgemeine Schadensentwicklung zu verstehen, beobachteten zufälligerweise den Prozess, den ich theoretisiert hatte.“

Kurzfristig, sagt Demkowicz Physik-Welt dass die Erkenntnisse des Teams dazu beitragen werden, Theorien über Brüche in Metallen zu verbessern. Längerfristig könnten sie zu neuen Strategien für die Gestaltung widerstandsfähiger Metalle führen.

Für diese Studie, die detailliert beschrieben wird in NaturDa die Forscher ihre Messungen im Vakuum durchführten, ist unklar, ob die Rissheilung auch an der Luft erfolgen kann. Ob das möglich ist, wollen die Forscher nun herausfinden.

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