Ha egy anyag meghibásodik, annak pusztító következményei lehetnek – hidak összeomolhatnak vagy csővezetékek felrobbanhatnak. Thomas Martin és a Stacy Moore írja le, hogy az innovatív és kiegészítő mikroszkópos és spektroszkópiai technikák hogyan képesek feltárni az anyag lebomlása mögött meghúzódó atomi léptékű mechanizmusokat
Az anyagok alkotják a minket körülvevő világot. Mindenhol megtalálhatók, a fától, a műanyagtól és a kerámiától az otthonunkban az épületek és hidak építéséhez használt fémekig és betonig. De idővel az anyagok leépülhetnek, szerkezetük megváltozik, kevésbé megbízhatóak sőt néha teljesen kudarcot vallanak – katasztrofális következményekkel.
Ezért a mérnöki anyagokkal, például az acéllal kapcsolatban az egyik nagy kihívás a lehető leghosszabb élettartam biztosítása. Ez azt jelenti, hogy meg kell találni a módszereket az „anyaglebomlási” folyamatok ellensúlyozására, mint például a ciklikus feszültségek okozta fáradtság; kúszás (lassú deformáció), amelyet a mechanikai igénybevétel okoz magas hőmérsékleten; az alkatrészek egymáshoz súrlódó kopása; és a környezetben lévő vegyi anyagok, például víz, sók és agresszív gázok által kiváltott korrózió.
A degradáció egészen addig fejlődhet, amíg az egész szerkezet hirtelen meghibásodik
Az anyagok változásának megértése e folyamatok során kihívást jelenthet, mivel a mögöttes mechanizmusok gyakran atomi szinten fordulnak elő. Az egyes atomok enyhe mozgásai vagy reakciói az emberi érzékszervek számára észrevehetetlenek, de ha atomok milliárdjaiban vagy trillióiban megsokszorozódnak, drámai változásokat okoznak az anyagban. Ezek az elváltozások kis szinteken évekig előfordulhatnak, mielőtt észrevehető változást észlelnének egy komponensben, és a degradáció egészen addig fejlődhet, amíg az egész szerkezet hirtelen meghibásodik.
Tökéletlen kristályok
Sok fontos anyag, mint például a fémek, a szilícium vagy a gyémánt, kristályok – az atomok nagymértékben ismétlődő egységei. Szabályos rácsképződményeik számtalan hasznos tulajdonságot képesek produkálni, mint például szilárdság, hővezető képesség, elektromos vezetőképesség és optikai átlátszóság. Míg ezek a tulajdonságok rendkívül fontosak az alkalmazásokhoz, és a tökéletes kristályszerkezet optimalizálja őket, a tökéletességtől való eltérések kulcsfontosságúak az anyagok leromlásakor.
1 Hibák a tökéletességben
Ezek a „hibák” sokféle formát ölthetnek, a legegyszerűbb eset egy hiányzó atom – vagy üresedés – az ismétlődő rácsban. (1.ábra). A bonyolultabb, nagy hatótávolságú hibák közé tartoznak a diszlokációk, ahol az atomok egész vonalai vagy spiráljai nem a helyükön lehetnek. Vannak olyan szemcsehatárok is, ahol a kristály különböző szögben kialakult régiói találkoznak, ami egy sor atomsort hagyhat el, ahol a kötések nem megfelelőek. További kémiai elemek bevonása egy anyagba még jobban megnehezítheti annak szerkezetét. Új, csapadékként ismert fázisok képződhetnek, és mivel ezek valószínűleg más szerkezetűek, mint az ömlesztett kristályok, eltérő tulajdonságokkal rendelkező területeket vezetnek be.
Ha egy hiba külső hatásokat, például feszültséget, hőmérséklet-változást vagy akár vegyi támadást ér, sok összetett és érdekes kölcsönhatás léphet fel. A hibákban lévő atomok nem rendelkeznek ugyanazzal a kötésszerkezettel, mint a fő kristályban, és előfordulhat, hogy a kötések teljesen hiányoznak. Ez azt jelenti, hogy a hibák könnyebben mozgathatók feszültség alatt, és könnyebben reagálhatnak más kémiai elemekkel, új kötéseket hozva létre.
Annak megértése, hogy egy egyszerű hibát hogyan befolyásol egyetlen lebomlási mechanizmus, például megnövekedett feszültség, hőmérséklet vagy kémiai reakció, viszonylag egyszerű lehet. De egy hídban, repülőgépben vagy atomreaktorban több milliárd ilyen kölcsönhatás fordulhat elő összetett környezetben. Hatalmas kihívás annak feltárása, hogy ezek az egyedi mikroszkopikus folyamatok hogyan kombinálódnak bonyolult makroszkopikus változásokká egy komponensben, de az innovatív eszközök és megközelítések most lehetővé teszik az anyagtudósok számára, hogy új módszerekkel tanulmányozzák ezeket a lebomlási problémákat.
Különösen a nagysebességű mikroszkópok térnyerése teszi lehetővé, hogy minden eddiginél gyorsabban és nagyobb területen jellemezhessük az atomi léptékű hibákat. Eközben az olyan technikák, mint a gépi tanulás, a képfelismerés és az adatfeldolgozás azt jelentik, hogy megtehetjük nagyobb adathalmazokat tanulmányozni. Összességében új, atomi szintű betekintést nyerünk az anyagok lebomlásába, ami viszont lehetővé teszi számunkra, hogy jobb előrejelzéseket tudjunk készíteni arról, hogy az anyagok végül hogyan tönkremennek.
Feszültségkorróziós repedés
2 Repedések az acélban
Az anyagok lebomlásának egyik különösen összetett módja a „feszültségkorróziós repedés” (SCC). Fémekben akkor fordul elő, amikor egy érzékeny anyag nagy igénybevételnek van kitéve korrozív környezetben, és e három tényező kombinációja végül hirtelen és váratlan repedéshez vezet. Az SCC előfordulhat magas hőmérsékleten – például repülőgép-hajtóművekben és nukleáris reaktorok hűtőfolyadékköreiben – és alacsony hőmérsékleten is, például tengeri szél- vagy olajplatformokon. Különösen elterjedt ott, ahol só van jelen, ami különösen veszélyezteti az anyagokat a tengerbe. A végeredmény katasztrofális meghibásodás lehet – a hajók elsüllyednek, a motorok meghibásodnak, a hidak összeomlanak, a gázvezetékek pedig felrobbannak.
Annak érdekében, hogy teljesen megértsük ezt az egyedülálló meghibásodási folyamatot, ki kell dolgoznunk, hogyan kezdődik. Ezt azonban nagyon nehéz megtenni, mivel az esemény véletlenszerű időpontokban történik, és ha egy repedés már elkezdődött, a folyamat eredetét valószínűleg elrejti a keletkezett sérülés.
A probléma megoldásához csapatunk a Bristoli Egyetem többféle mikroszkópos módszert használ a repedések valós időben történő kitágulására. Egy módszer amely különösen hasznosnak bizonyult a mikroszerkezeti felületi jellemzők kis léptékű eltéréseinek elemzéséhez, a nagy sebességű atomerőmikroszkópia (HS-AFM) (lásd a keretet).
Nagy sebességű atomerőmikroszkóp (HS-AFM)
A hagyományos atomerő-mikroszkóphoz (AFM) hasonlóan a HS-AFM is topográfiai képeket készít egy felületről egy konzolos nyaláb végén lévő apró (10 nm) éles szonda mozgásának figyelésével, miközben az utat követ a mintán. Amikor ez a hegy ütésekkel vagy gödrökkel találkozik, felfelé vagy lefelé elhajlik – hasonlóan a bakelitlemez-lejátszó tűjéhez vagy az ujjbegyhez a Braille-íráson. Az érzékelő rendszer méri ezt a mozgást, és pixelenként térképet készít a felszínről.
A fő különbség a HS-AFM és a hagyományos AFM között az, hogy sokkal gyorsabb. Az AFM tipikusan 5 µm x 5 µm méretű területet tud beolvasni néhány perc alatt, míg a HS-AFM ugyanazt a területet kevesebb mint egy másodperc alatt képes mérni. Ez a megnövelt sebesség azt jelenti, hogy teljesen új kísérletek hajthatók végre. A HS-AFM segítségével például néhány óra alatt elemezheti a nanoméretű jellemzők, például a csapadékok, milliméteres vagy akár centiméteres léptékek térbeli eloszlását – ez a bravúr egy szabványos AFM-nek évekbe telne. Ez a fajta jellemzés kulcsfontosságú a nanoméretű eltérések megértéséhez, mivel ezek a kis szerkezeti vagy összetételi változások vezetnek az anyagtulajdonságok, például a szilárdság, a keménység vagy a hajlékonyság nagy léptékű változásaihoz.
A HS-AFM képalkotásra is képes folyékony vagy gáznemű környezetben, lehetővé téve in situ, valós idejű elemzése az olyan folyamatok során fellépő nanoméretű változásokról, mint például a korrózió. A képességeknek ez a kombinációja a műszer nagy áteresztőképessége mellett egyedülálló a HS-AFM-ben, lehetővé téve, hogy újszerű és izgalmas kísérleteket végezzünk különféle nanoméretű jelenségekkel.
A HS-AFM ideális az SCC tanulmányozására, mivel a kísérletek folyadékban is történhetnek, és a lebomlás valós időben megfigyelhető. Csapatunk ezért olyan hajlító berendezést tervezett, amely húzófeszültség alatt képes mintát tartani korrozív folyékony környezetben – és el tudták végezni az első ilyen jellegű kísérletet (npj Anyagok lebomlása 5 3).
Az általunk vizsgált anyag egy rozsdamentes acél minta volt, amelyet hőkezeltek, hogy a mikrostruktúrát érzékenyebbé tegyék az SCC-vel szemben – a hő megváltoztatja a szemcsék méretét és a csapadék jelenlétét, valamint a kémiai elemeket is megmozgatja, és sebezhetőbbé teszi a szemcsehatárokat. vegyi támadásra. A húzófeszültséget, azaz a mintát széthúzó feszültséget hárompontos hajlítóberendezésen keresztül alkalmazták az acélra (3. ábra). Ugyanakkor a mintát 395 ppm nátrium-tioszulfát korrozív folyékony környezetben tartották, amely gyakran megtalálható az olaj- és gázvezetékekben.
Ezek a feltételek különösen fontosak a nukleáris alkalmazásokban, és ismert, hogy intergranuláris SCC-t indukálnak – ahol a repedés a szemcsehatárok mentén képződik, nem pedig a szemcsén keresztül. A HS-AFM méréseket ezért az anyag szemcsehatárai mentén koncentráltuk, hogy megfigyeljük az SCC előtti és alatti folyamatokat.
Némi ügyességgel, némi szerencsével és sok türelemmel sikerült teljesítenünk in situ és az SCC valós idejű megfigyelései
Az SCC sikeres leképezéséhez gyakran sok próbálkozásra van szükség, mivel nemigen lehet megjósolni, hogy a repedés mely szemcsehatárokon indul el, és melyiken halad előre. Némi ügyességgel, némi szerencsével és sok türelemmel sikerült teljesítenünk in situ és az SCC valós idejű megfigyelése, ahogy a repedés a szemcsehatár mentén halad, amint az a 3. ábrán látható. Ez a mérés új betekintést adott a repedési viselkedésbe, feltárva a szemcsék szétválásának módját. Ahelyett, hogy egyszerűen síkban széthúzódott volna, a repedés egy szemcsét is felemelkedett a repedés előrehaladtával, és nyíró mozgást váltott ki. Ez a viselkedés a felszín alatti repedések terjedésének eredménye, ami a szemcsék mozgását okozza a minta felületén.
3 Stresszkorróziós repedés valós időben
A repedés terjedéséről nagy felbontású topográfiai képek készítésének képessége különösen hasznos, mivel segít javítani az SCC számítási modelljeit. Ez az információ erős – ha tudjuk, hogy az anyag szerkezetének mely részét támadja meg az SCC, segíthetünk bevonatok és új anyagok tervezésében, amelyek megvédik a támadásokat, és meghosszabbítják az alkatrészek élettartamát. A kép azonban nem teljes, és gyakran szükségünk van kiegészítő technikákra a történet lezárásához.
Kiegészítő elemzés
A korróziós folyamatok, mint például az SCC, összetett rendszerek, amelyek mind fizikai, mind elektrokémiai változásokból állnak. Az új technikák, mint például a HS-AFM, lehetővé teszik a kutatók számára, hogy további betekintést nyerjenek az ilyen mechanizmusokba, de az anyag viselkedésének teljes megértéséhez gyakran egyetlen technika önmagában nem elegendő. Több, egymást kiegészítő technikára van szükség, amelyek lehetővé teszik a felszíni és felszín alatti folyamatok, a kémiai változások és az elektromos jelek mérését különböző hosszúságú és időskálákon.
4 A megfelelő kombináció megtalálása
Számos technika használható együtt az anyaggal kapcsolatos különböző információk feloldására (4. ábra). Például az elektron-visszaszórás diffrakció (EBSD) egy pásztázó elektronmikroszkópban (SEM) vagy a diffrakció transzmissziós elektronmikroszkópban (TEM) megmondhatja nekünk a kristályrács relatív szögeit egy anyag különböző régióiban (vagy szemcséiben) (ábra). 5). Ez betekintést nyújt a repedéseknél jelentkező helyi feszültségekbe, és azt is, hogy az anyag egy bizonyos része miért lehet először sebezhető a támadással szemben.
5 sokféle színű szemcse
Az olyan technikák, mint az energiadiszperzív röntgenspektroszkópia (EDX) mind a TEM-en, mind a SEM-en, valamint az atomszondás tomográfia (APT) információt szolgáltatnak a minta elemi összetételéről, támpontokat adva a korrozív reakciók során fellépő kémiai változásokról. hely. A röntgen- és ultraibolya fotoemissziós spektroszkópia egy elektronspektroszkópia kémiai elemzéshez (NanoESCA) műszerrel hihetetlen információkat adhat a helyi elektronikus környezetről a minta felületén. Megmondhatja például, hogy egy anyag különböző régiói mekkora valószínűséggel veszítenek el elektront, és ezért miért lehetnek érzékenyebbek a korrózióra.
Mindegyik fejlett mikroszkópos technikának megvannak a maga erősségei, és információkat adhatnak az anyagok különböző hosszúságú skáláiról, a milliméteres skálától az egyes atomokig. A technikák megfelelő kombinációjával a tudósok páratlan betekintést nyerhetnek a szerkezetbe, a kémiába, a helyi stresszbe és a kémiai környezetbe, hogy új részletszinteken deríthessük fel a hibák eredetét.
