Ketika material gagal, itu bisa menimbulkan konsekuensi yang menghancurkan – membuat jembatan runtuh atau pipa meledak. Thomas Martin dan Stacy Moore menjelaskan bagaimana teknik mikroskopi dan spektroskopi yang inovatif dan saling melengkapi dapat mengungkapkan mekanisme skala atom yang mendasari di balik degradasi material
Materi membentuk dunia di sekitar kita. Mereka ada di mana-mana, mulai dari kayu, plastik, dan keramik di rumah kita, hingga logam dan beton yang digunakan untuk membangun gedung dan jembatan. Namun seiring waktu, material dapat terdegradasi, strukturnya berubah, menjadi kurang dapat diandalkan dan terkadang mereka bahkan gagal sama sekali – dengan konsekuensi bencana.
Oleh karena itu, salah satu tantangan besar dengan bahan teknik seperti baja adalah memastikannya bertahan selama mungkin. Itu berarti menemukan cara untuk menangkal proses “degradasi material” seperti kelelahan akibat tekanan siklik; creep (deformasi lambat) yang disebabkan oleh tekanan mekanis pada suhu tinggi; keausan dari komponen yang bergesekan satu sama lain; dan korosi yang dipicu oleh bahan kimia di lingkungan termasuk air, garam, dan gas agresif.
Degradasi dapat terjadi secara halus hingga seluruh struktur tiba-tiba gagal
Memahami cara material berubah selama proses ini dapat menjadi tantangan, karena mekanisme yang mendasari sering terjadi pada tingkat atom. Gerakan atau reaksi kecil dari masing-masing atom tidak dapat ditangkap oleh indra manusia, tetapi ketika dikalikan dengan miliaran atau triliunan atom, mereka akan membentuk perubahan dramatis pada materi. Perubahan ini dapat terjadi pada tingkat kecil selama bertahun-tahun sebelum perubahan nyata diamati pada suatu komponen, dan degradasi dapat terjadi secara halus sampai seluruh struktur tiba-tiba gagal.
Kristal yang tidak sempurna
Banyak bahan penting, seperti logam, silikon atau intan, adalah kristal – unit atom berulang yang sangat teratur. Formasi kisi reguler mereka dapat menghasilkan segudang sifat yang berguna, seperti kekuatan, konduktivitas panas, konduktivitas listrik, dan transparansi optik. Sementara sifat-sifat ini sangat penting untuk aplikasi dan dioptimalkan oleh struktur kristal yang sempurna, penyimpangan dari kesempurnaanlah yang menjadi kunci dalam degradasi material.
1 Kekurangan dalam kesempurnaan
“Cacat” ini dapat terjadi dalam berbagai bentuk, kasus paling sederhana adalah atom yang hilang – atau kekosongan – dalam kisi yang berulang. (Gambar 1). Cacat jarak jauh yang lebih kompleks termasuk dislokasi, di mana seluruh garis atau spiral atom bisa keluar dari tempatnya. Ada juga batas butir, di mana daerah kristal yang terbentuk pada sudut yang berbeda bertemu, yang dapat meninggalkan garis atom dengan ikatan yang tidak sejajar. Dimasukkannya unsur kimia tambahan ke suatu bahan dapat semakin memperumit strukturnya. Fase baru yang dikenal sebagai endapan dapat terbentuk, dan karena ini cenderung memiliki struktur yang berbeda dengan kristal curah, mereka memperkenalkan area dengan sifat yang berbeda.
Ketika cacat mengalami pengaruh eksternal, seperti gaya tegangan, perubahan suhu atau bahkan serangan kimia, banyak interaksi yang kompleks dan menarik dapat terjadi. Atom-atom yang mengalami cacat tidak memiliki struktur ikatan yang sama seperti pada kristal utama, dan dapat kehilangan ikatan seluruhnya. Ini berarti cacat lebih mudah bergerak di bawah tekanan, dan lebih mudah bereaksi dengan unsur kimia lain untuk membentuk ikatan baru.
Memahami bagaimana cacat sederhana dipengaruhi oleh mekanisme degradasi tunggal seperti peningkatan tegangan, suhu, atau reaksi kimia bisa jadi relatif mudah. Tetapi komponen di jembatan, pesawat terbang, atau reaktor nuklir mungkin memiliki miliaran interaksi yang terjadi di lingkungan yang kompleks. Mengungkap bagaimana proses mikroskopis individu ini bergabung menjadi perubahan makroskopik yang rumit di seluruh komponen sangat menantang, tetapi alat dan pendekatan inovatif sekarang memungkinkan ilmuwan material untuk mempelajari masalah degradasi ini dengan cara baru.
Secara khusus, munculnya mikroskop berkecepatan tinggi memungkinkan kita mengkarakterisasi cacat skala atom lebih cepat dan di area yang lebih luas daripada sebelumnya. Sedangkan teknik seperti machine learning, image recognition, dan data processing berarti kita bisa mempelajari kumpulan data yang lebih besar. Secara bersama-sama, kami memperoleh wawasan tingkat atom yang baru tentang bagaimana materi terdegradasi, yang pada gilirannya memungkinkan kami membuat prediksi yang lebih baik tentang bagaimana materi pada akhirnya bisa gagal.
Stres korosi retak
2 Retak pada baja
Salah satu cara yang sangat kompleks di mana bahan mengalami degradasi adalah “stres korosi retak” (SCC). Ini terjadi pada logam ketika bahan yang rentan mengalami tekanan tinggi di lingkungan korosif, dengan kombinasi ketiga faktor ini pada akhirnya menyebabkan keretakan yang tiba-tiba dan tidak terduga. SCC dapat terjadi pada suhu tinggi - misalnya, di mesin pesawat terbang, dan sirkuit pendingin di reaktor nuklir - dan suhu rendah, seperti angin lepas pantai atau anjungan minyak. Ini sangat lazim di mana garam hadir, menempatkan bahan di laut terutama yang berisiko. Hasil akhirnya bisa berupa kegagalan besar – kapal tenggelam, mesin mati, jembatan runtuh, dan pipa gas meledak.
Untuk memahami sepenuhnya proses kegagalan yang unik ini, kita perlu mencari tahu bagaimana proses itu dimulai. Namun, ini sangat sulit dilakukan karena kejadiannya terjadi secara acak, dan jika retakan telah dimulai, asal muasal prosesnya mungkin tersembunyi oleh kerusakan yang tercipta.
Untuk mengatasi masalah tersebut, tim kami di University of Bristol menggunakan berbagai metode mikroskop untuk mengamati retakan yang meluas secara real time. Satu metode yang ternyata sangat berguna untuk menganalisis variasi skala kecil pada fitur permukaan mikrostruktural adalah mikroskop kekuatan atom berkecepatan tinggi (HS-AFM) (lihat boks).
Mikroskopi gaya atom kecepatan tinggi (HS-AFM)
Seperti halnya mikroskop atom konvensional (AFM), HS-AFM menghasilkan gambar topografi permukaan dengan memantau pergerakan probe tajam kecil (10 nm) di ujung balok kantilever saat menelusuri sampel. Saat ujung ini bertemu tonjolan atau lubang, ujungnya dibelokkan ke atas atau ke bawah, masing-masing – seperti jarum di pemutar piringan hitam atau ujung jari di braille. Sistem deteksi mengukur gerakan ini dan menyusun peta piksel permukaan demi piksel.
Perbedaan utama antara HS-AFM dan AFM konvensional adalah jauh lebih cepat. AFM biasanya dapat memindai area berukuran 5 µm kali 5 µm selama beberapa menit, sementara HS-AFM dapat mengukur area yang sama dalam waktu kurang dari satu detik. Kecepatan yang ditingkatkan ini berarti eksperimen yang sama sekali baru dapat dilakukan. Misalnya, dengan menggunakan HS-AFM, Anda dapat menganalisis distribusi spasial fitur skala nano, seperti endapan, skala lebih dari milimeter, atau bahkan sentimeter dalam hitungan jam – suatu prestasi yang membutuhkan waktu bertahun-tahun untuk AFM standar. Jenis karakterisasi ini adalah kunci untuk memahami variasi skala nano karena perubahan kecil dalam struktur atau komposisi inilah yang menyebabkan perubahan skala besar pada sifat material, seperti kekuatan, kekerasan, atau keuletan.
HS-AFM juga dapat menampilkan gambar dalam lingkungan cair atau gas, memungkinkan untuk di tempat, analisis real-time dari perubahan skala nano yang terjadi selama proses seperti korosi. Kombinasi kemampuan ini, di samping throughput instrumen yang tinggi, unik untuk HS-AFM, memungkinkan kami melakukan eksperimen baru dan menarik ke dalam berbagai fenomena berskala nano.
HS-AFM ideal untuk mempelajari SCC karena eksperimen dapat dilakukan dalam cairan, dan degradasi dapat diamati secara real-time. Oleh karena itu, tim kami merancang alat pembengkok yang dapat menahan sampel di bawah tegangan tarik dalam lingkungan cairan korosif – dan mampu melakukan percobaan pertama dari jenisnya (Degradasi Bahan npj 5 3).
Bahan yang kami uji adalah sampel baja tahan karat yang telah diberi perlakuan panas untuk membuat struktur mikro lebih rentan terhadap SCC – panas mengubah ukuran butiran dan adanya endapan, dan juga menggerakkan elemen kimia di sekitarnya dan membuat batas butir lebih rentan. terhadap serangan kimia. Tegangan tarik, yaitu tegangan yang bekerja untuk menarik sampel terpisah, diterapkan pada baja melalui rig bengkok tiga titik (gambar 3). Pada saat yang sama, sampel disimpan di lingkungan cairan korosif natrium tiosulfat 395 ppm, yang sering ditemukan di jaringan pipa minyak dan gas.
Kondisi ini sangat relevan dalam aplikasi nuklir, dan diketahui menginduksi SCC intergranular – di mana retakan terbentuk di sepanjang batas butir daripada melalui butir. Oleh karena itu, pengukuran dengan HS-AFM dipusatkan di sepanjang batas butir material, untuk mengamati proses sebelum dan selama SCC.
Dengan sedikit keterampilan, sedikit keberuntungan, dan banyak kesabaran, kami dapat tampil di tempat dan pengamatan SCC secara real-time
Banyak upaya sering diperlukan untuk berhasil mencitrakan SCC, karena ada sedikit cara untuk memprediksi batas butir mana retakan akan dimulai dan yang akan berlanjut. Dengan sedikit keterampilan, sedikit keberuntungan, dan banyak kesabaran, kami dapat tampil in-situ dan pengamatan real-time SCC saat retakan berkembang di sepanjang batas butir, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Pengukuran ini memberikan wawasan baru tentang perilaku retakan, mengungkapkan cara butir berpisah. Alih-alih hanya menarik diri pada bidang datar, retakan juga menyebabkan satu butir terangkat saat retakan berlanjut, menghasilkan gerakan geser. Perilaku ini ditemukan sebagai hasil perambatan retakan di bawah permukaan, yang menyebabkan pergerakan butiran pada permukaan sampel.
3 Stres korosi retak secara real time
Kemampuan untuk mengambil gambar topografi beresolusi tinggi dari perambatan crack sangat berguna, karena membantu meningkatkan model komputasi SCC. Informasi ini sangat kuat – dengan mengetahui bagian mana dari struktur material yang diserang oleh SCC, kami dapat membantu merancang lapisan dan material baru untuk melindungi dari serangan dan membuat komponen bertahan lebih lama. Namun, gambarannya tidak lengkap, dan seringkali kita membutuhkan teknik pelengkap untuk menyimpulkan cerita.
Analisis pelengkap
Proses korosi, seperti SCC, adalah sistem kompleks yang terdiri dari perubahan fisik dan elektrokimia. Teknik baru, seperti HS-AFM, memungkinkan peneliti untuk membuka wawasan tambahan ke dalam mekanisme tersebut, tetapi untuk mendapatkan pemahaman penuh tentang perilaku material seringkali satu teknik saja tidak cukup. Berbagai teknik pelengkap diperlukan, memungkinkan untuk pengukuran proses permukaan dan bawah permukaan, perubahan kimiawi, dan sinyal listrik pada rentang waktu dan panjang yang berbeda.
4 Menemukan kombinasi yang tepat
Ada banyak teknik yang dapat digunakan bersama untuk membuka berbagai informasi tentang suatu materi (gambar 4). Misalnya, difraksi hamburan balik elektron (EBSD) dalam mikroskop elektron pemindaian (SEM) atau difraksi dalam mikroskop elektron transmisi (TEM) dapat memberi tahu kita tentang sudut relatif kisi kristal dalam berbagai daerah (atau butiran) suatu bahan (gambar 5). Ini memberikan wawasan tentang tekanan lokal pada celah, dan mengapa wilayah tertentu dari suatu material mungkin rentan untuk diserang terlebih dahulu.
5 butir banyak warna
Teknik seperti spektroskopi sinar-X dispersif energi (EDX) pada TEM dan SEM, serta tomografi probe atom (APT) menghasilkan informasi tentang komposisi unsur spesimen, memberikan petunjuk tentang perubahan kimia yang terjadi ketika reaksi korosif terjadi. tempat. Spektroskopi fotoemisi sinar-X dan ultraviolet menggunakan instrumen spektroskopi elektron untuk analisis kimia (NanoESCA) dapat memberikan informasi luar biasa tentang lingkungan elektronik lokal pada permukaan sampel. Ini dapat memberi tahu kita, misalnya, tentang seberapa besar kemungkinan daerah yang berbeda dari suatu material kehilangan elektron, dan oleh karena itu mengapa mereka lebih rentan terhadap korosi.
Masing-masing teknik mikroskop canggih ini memiliki kekuatannya sendiri dan dapat memberikan informasi untuk berbagai skala panjang suatu bahan, dari skala milimeter hingga atom individual. Dengan menggunakan campuran teknik yang tepat, para ilmuwan dapat menyatukan wawasan yang tak tertandingi ke dalam struktur, kimia, tekanan lokal, dan lingkungan kimia sehingga kita dapat mengungkap asal-usul kegagalan pada tingkat detail yang baru.
