کشف عیوب کوچکی که باعث شکست مواد می شود

مواد دنیای اطراف ما را تشکیل می دهند. آنها در همه جا هستند، از چوب، پلاستیک و سرامیک در خانه های ما گرفته تا فلزات و بتن مورد استفاده برای ساختن ساختمان ها و پل ها. اما با گذشت زمان، مواد می توانند تخریب شوند، ساختار آنها تغییر می کند، آنها کمتر قابل اعتماد می شوند و حتی گاهی اوقات آنها به طور کامل شکست می خورند - با عواقب فاجعه بار.

بنابراین، یکی از چالش‌های بزرگ با مواد مهندسی مانند فولاد، اطمینان از ماندگاری آنها تا حد امکان است. این به معنای یافتن راه‌هایی برای مقابله با فرآیندهای «تخریب مواد» مانند خستگی ناشی از تنش‌های چرخه‌ای است. خزش (تغییر شکل آهسته) ناشی از تنش مکانیکی در دماهای بالا؛ ساییدگی و پارگی ناشی از ساییدگی اجزا به یکدیگر؛ و خوردگی ناشی از مواد شیمیایی موجود در محیط از جمله آب، نمک ها و گازهای تهاجمی.

تخریب می تواند تا زمانی که کل سازه به طور ناگهانی از کار بیفتد، به طور نامحسوسی ایجاد شود

درک نحوه تغییر مواد در طول این فرآیندها می تواند چالش برانگیز باشد، زیرا مکانیسم های اساسی اغلب در سطح اتمی رخ می دهند. حرکات یا واکنش‌های خفیف اتم‌های منفرد برای حواس انسان نامحسوس است، اما وقتی در میلیاردها یا تریلیون‌ها اتم ضرب می‌شوند، تغییرات چشمگیری در مواد ایجاد می‌کنند. این تغییرات ممکن است سال‌ها در سطوح کوچک رخ دهد، قبل از اینکه تغییر محسوسی در یک جزء مشاهده شود، و تخریب می‌تواند به طور نامحسوسی ایجاد شود تا زمانی که کل ساختار به طور ناگهانی از کار بیفتد.

کریستال های ناقص

بسیاری از مواد مهم، مانند فلزات، سیلیکون یا الماس، کریستال هستند - واحدهای تکرار شونده بسیار مرتب اتم ها. تشکیلات شبکه منظم آنها می تواند خواص مفید بی شماری مانند استحکام، هدایت حرارتی، هدایت الکتریکی و شفافیت نوری را ایجاد کند. در حالی که این ویژگی ها برای کاربردها بسیار مهم هستند و توسط یک ساختار بلوری کامل بهینه می شوند، این انحرافات از کمال است که در تخریب مواد کلیدی است.

این "نقایص" می توانند اشکال مختلفی داشته باشند، ساده ترین مورد، یک اتم از دست رفته - یا جای خالی - در شبکه مکرر است. (شکل 1). نقایص پیچیده‌تر دوربرد شامل نابجایی‌ها می‌شود، جایی که خطوط کامل یا مارپیچ‌های اتم‌ها ممکن است از جای خود خارج شوند. همچنین مرزهای دانه وجود دارد، جایی که نواحی کریستالی که در زوایای مختلف تشکیل شده‌اند، به هم می‌رسند، که می‌تواند خطی از اتم‌ها را با پیوندهای ناهمتراز باقی بگذارد. گنجاندن عناصر شیمیایی اضافی به یک ماده می تواند ساختار آن را حتی بیشتر پیچیده کند. فازهای جدیدی که به عنوان رسوبات شناخته می شوند می توانند تشکیل شوند، و از آنجایی که احتمالاً ساختارهای متفاوتی نسبت به کریستال حجیم دارند، مناطقی را با خواص متفاوت معرفی می کنند.

هنگامی که یک نقص تأثیرات خارجی را تجربه می کند، مانند نیروی استرس، تغییر دما یا حتی یک حمله شیمیایی، بسیاری از فعل و انفعالات پیچیده و جالب می تواند رخ دهد. اتم‌های موجود در نقص ساختار پیوندی مشابهی با اتم‌های کریستال اصلی ندارند و می‌توانند به طور کامل پیوندهای خود را از دست بدهند. این بدان معناست که عیوب تحت تنش راحت‌تر حرکت می‌کنند و می‌توانند با سهولت بیشتری با سایر عناصر شیمیایی واکنش دهند تا پیوندهای جدیدی تشکیل دهند.

درک اینکه چگونه یک نقص ساده توسط یک مکانیسم تخریب منفرد مانند افزایش تنش، دما یا واکنش شیمیایی تحت تاثیر قرار می‌گیرد، می‌تواند نسبتاً ساده باشد. اما یک جزء در یک پل، هواپیما یا راکتور هسته‌ای ممکن است میلیاردها تعامل داشته باشد که در محیط‌های پیچیده رخ می‌دهد. کشف اینکه چگونه این فرآیندهای میکروسکوپی فردی با تغییرات ماکروسکوپی پیچیده در سراسر یک جزء ترکیب می‌شوند، بسیار چالش برانگیز است، اما ابزارها و رویکردهای نوآورانه اکنون دانشمندان مواد را قادر می‌سازند تا این مشکلات تخریب را به روش‌های جدیدی مطالعه کنند.

به طور خاص، ظهور میکروسکوپ‌های پرسرعت به ما امکان می‌دهد نقص‌های مقیاس اتمی را سریع‌تر و در مناطق بزرگ‌تر از همیشه مشخص کنیم. در همین حال، تکنیک هایی مانند یادگیری ماشین، تشخیص تصویر و پردازش داده ها به این معنی است که ما می توانیم مجموعه داده های بزرگتر را مطالعه کنید روی هم رفته، ما بینش‌های جدیدی در سطح اتمی در مورد چگونگی تجزیه مواد به دست می‌آوریم، که به نوبه خود به ما امکان می‌دهد پیش‌بینی‌های بهتری درباره شکست مواد در نهایت انجام دهیم.

استرس ترک خوردگی

یکی از روش های پیچیده ای که در آن مواد تخریب می شوند، "ترک خوردگی ناشی از استرس" (SCC) است. هنگامی که یک ماده حساس در یک محیط خورنده تنش بالایی را تجربه می کند در فلزات رخ می دهد که ترکیب این سه عامل در نهایت منجر به ترک خوردن ناگهانی و غیرمنتظره می شود. SCC می تواند هم در دماهای بالا - به عنوان مثال، در موتورهای هواپیما، و مدارهای خنک کننده در راکتورهای هسته ای - و هم در دماهای پایین، مانند سکوهای باد یا نفت در دریا رخ دهد. این امر به ویژه در جاهایی که نمک وجود دارد رایج است و مواد را در دریا به ویژه در معرض خطر قرار می دهد. نتیجه نهایی می‌تواند شکست فاجعه‌بار باشد – قایق‌ها غرق می‌شوند، موتورها از کار می‌افتند، پل‌ها فرو می‌ریزند و خطوط لوله گاز منفجر می‌شوند.

برای درک کامل این فرآیند شکست منحصر به فرد، باید چگونگی شروع آن را بررسی کنیم. با این حال، انجام این کار بسیار دشوار است زیرا رویداد در زمان‌های تصادفی رخ می‌دهد، و اگر شکافی از قبل شروع شده باشد، احتمالاً ریشه‌های فرآیند با آسیب ایجاد شده پنهان می‌شوند.

برای مقابله با مشکل، تیم ما در دانشگاه بریستول از روش‌های میکروسکوپی متعدد برای تماشای ترک‌ها در حین گسترش آنها در زمان واقعی استفاده می‌کند. یک روش مشخص شده است که به ویژه برای تجزیه و تحلیل تغییرات در مقیاس کوچک در ویژگی های سطح ریزساختاری مفید است، میکروسکوپ نیروی اتمی با سرعت بالا (HS-AFM) است (به کادر مراجعه کنید).

HS-AFM برای مطالعه SCC ایده‌آل است زیرا آزمایش‌ها می‌توانند در یک مایع انجام شوند و تخریب آن در زمان واقعی قابل مشاهده است. بنابراین تیم ما یک دستگاه خمشی طراحی کرد که می تواند نمونه را تحت تنش کششی در محیط مایع خورنده نگه دارد - و توانست اولین آزمایش در نوع خود را انجام دهد.npj تخریب مواد 5 3).

ماده ای که ما آزمایش کردیم نمونه ای از فولاد ضد زنگ بود که برای ایجاد ریزساختار در برابر SCC حساس تر شده بود - گرما اندازه دانه ها و وجود رسوبات را تغییر می دهد و همچنین عناصر شیمیایی را به اطراف حرکت می دهد و مرزهای دانه را آسیب پذیرتر می کند. به حمله شیمیایی تنش کششی، یعنی تنشی که برای جدا کردن نمونه عمل می کند، از طریق یک دکل خمشی سه نقطه ای به فولاد اعمال شد (شکل 3). در همان زمان، نمونه در یک محیط خورنده مایع 395 پی پی ام تیوسولفات سدیم، که اغلب در خطوط لوله نفت و گاز یافت می شود، نگهداری شد.

این شرایط به‌ویژه در کاربردهای هسته‌ای مرتبط هستند، و شناخته شده‌اند که باعث ایجاد SCC بین دانه‌ای می‌شوند - جایی که ترک در امتداد مرزهای دانه‌ها به جای از طریق دانه تشکیل می‌شود. بنابراین اندازه‌گیری‌های HS-AFM در امتداد مرزهای دانه‌ای ماده متمرکز شدند تا فرآیندهای قبل و در طول SCC را مشاهده کنند.

با کمی مهارت، کمی شانس، و کلی صبر و حوصله توانستیم اجرا کنیم در محل و مشاهدات بلادرنگ SCC

اغلب تلاش‌های زیادی برای تصویربرداری موفقیت‌آمیز SCC مورد نیاز است، زیرا راه کمی برای پیش‌بینی این که ترک از کدام مرز دانه‌ای شروع می‌شود و در کدام مسیر پیشرفت می‌کند، وجود ندارد. با کمی مهارت، کمی شانس، و کلی صبر و حوصله توانستیم اجرا کنیم در محل و مشاهدات بلادرنگ SCC در حین پیشرفت ترک در امتداد مرز دانه، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است. این ترک به جای اینکه به سادگی از هم جدا شود، باعث شد تا با پیشرفت ترک، یک دانه بلند شود و یک حرکت برشی ایجاد کند. مشخص شد که این رفتار نتیجه انتشار ترک زیرسطحی است که باعث حرکت دانه‌ها در سطح نمونه می‌شود.

توانایی گرفتن تصاویر توپوگرافی با وضوح بالا از انتشار ترک بسیار مفید است، زیرا به بهبود مدل های محاسباتی SCC کمک می کند. این اطلاعات قدرتمند است – با دانستن اینکه کدام قسمت از ساختار مواد توسط SCC مورد حمله قرار می گیرد، می توانیم به طراحی پوشش ها و مواد جدید برای محافظت در برابر حمله و ماندگاری بیشتر اجزا کمک کنیم. با این حال، تصویر ناقص است و اغلب برای نتیجه‌گیری داستان به تکنیک‌های مکمل نیاز داریم.

تحلیل تکمیلی

فرآیندهای خوردگی، مانند SCC، سیستم های پیچیده ای هستند که از تغییرات فیزیکی و الکتروشیمیایی تشکیل شده اند. تکنیک‌های جدید، مانند HS-AFM، محققان را قادر می‌سازد تا بینش‌های بیشتری را در مورد چنین مکانیسم‌هایی باز کنند، اما برای به دست آوردن درک کامل از رفتار یک ماده، اغلب یک تکنیک به تنهایی کافی نیست. چندین تکنیک مکمل مورد نیاز است که امکان اندازه‌گیری فرآیندهای سطحی و زیرسطحی، تغییرات شیمیایی و سیگنال‌های الکتریکی در طول‌ها و مقیاس‌های زمانی مختلف را فراهم می‌کند.

تکنیک های زیادی وجود دارد که می توانند با هم برای باز کردن قفل اطلاعات مختلف در مورد یک ماده استفاده شوند (شکل 4). به عنوان مثال، پراش الکترونی پس پراکندگی (EBSD) در یک میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) یا پراش در یک میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) می‌تواند به ما در مورد زوایای نسبی شبکه کریستالی در مناطق (یا دانه‌های) مختلف یک ماده توضیح دهد (شکل). 5). این بینش‌هایی را در مورد تنش‌های محلی در یک ترک و اینکه چرا یک منطقه خاص از یک ماده ممکن است در برابر حمله آسیب‌پذیر باشد، می‌دهد.

تکنیک‌هایی مانند طیف‌سنجی پرتو ایکس پراکنده انرژی (EDX) در هر دو TEM و SEM، و همچنین توموگرافی پروب اتمی (APT) اطلاعاتی را در مورد ترکیب عنصری یک نمونه به دست می‌دهد و سرنخ‌هایی را در مورد تغییرات شیمیایی که هنگام انجام واکنش‌های خورنده رخ می‌دهد ارائه می‌کند. محل. طیف‌سنجی اشعه ایکس و انتشار نور فرابنفش با استفاده از ابزار طیف‌سنجی الکترونی برای تجزیه و تحلیل شیمیایی (NanoESCA) می‌تواند اطلاعات باورنکردنی در مورد محیط الکترونیکی محلی در سطح نمونه به دست دهد. به عنوان مثال، می تواند به ما بگوید که مناطق مختلف یک ماده چقدر احتمال دارد یک الکترون را از دست بدهند، و بنابراین چرا ممکن است در برابر خوردگی آسیب پذیرتر باشند.

هر یک از این تکنیک‌های میکروسکوپی پیشرفته نقاط قوت خود را دارد و می‌تواند اطلاعاتی را برای مقیاس‌های طولی مختلف یک ماده، از مقیاس میلی‌متر تا اتم‌های منفرد، ارائه دهد. با استفاده از ترکیب مناسبی از تکنیک‌ها، دانشمندان می‌توانند بینش‌های بی‌نظیری را در مورد ساختار، شیمی، استرس محلی و محیط شیمیایی گرد هم بیاورند تا بتوانیم ریشه‌های شکست را در سطوح جدیدی از جزئیات کشف کنیم.