Le crepe generate dalla fatica si fondono nuovamente nei metalli – Physics World

Le crepe generate dalla fatica si fondono nuovamente nei metalli – Physics World

Timestamp: 21 agosto 2023 8:00

Foto di Ryan Schoell che guarda lo schermo di un computer in un laboratorio buio immerso nella luce laser rossa
Studio delle cricche da fatica su nanoscala: il ricercatore dei Sandia National Laboratories Ryan Schoell utilizza una tecnica specializzata di microscopio elettronico a trasmissione sviluppata da Khalid Hattar, Dan Bufford e Chris Barr per studiare le cricche da fatica su nanoscala. (Per gentile concessione di Craig Fritz, Sandia National Laboratories)

Ricercatori del Sandia National Laboratories (SNL) e della Texas A&M University negli Stati Uniti hanno osservato che le crepe in un metallo si accorciano. La scoperta inaspettata – le crepe normalmente si allungano – ribalta le teorie sulla frattura dei metalli e potrebbe aiutare nella progettazione di materiali che “riparano” il proprio danno interno.

Quando i metalli vengono sottoposti ripetutamente a sollecitazioni e deformazioni, iniziano a formarsi crepe microscopiche. Queste crepe sono un tipo di danno da fatica e, nel tempo, crescono e si diffondono fino a causare il cedimento della struttura, spesso in modo imprevedibile.

Si presumeva che tale crescita fosse irreversibile, ma i ricercatori guidati da SNL scienziato e ingegnere dei materiali Brad Boyce scoperto che questo non è necessariamente vero. Nel loro studio, hanno utilizzato un microscopio elettronico appositamente modificato che ha permesso loro di filtrare ripetutamente campioni di platino su scala nanometrica osservando ciò che accade al loro interno. Come previsto, hanno visto crepe da fatica su scala nanometrica apparire nelle prime fasi dell'esperimento. Inaspettatamente, però, hanno visto anche le estremità delle crepe fondersi di nuovo insieme circa 40 minuti dopo.

"Ci si aspettava che le crepe diventassero più grandi, non più piccole", afferma Boyce. “Anche alcune delle equazioni di base che usiamo per descrivere la crescita delle crepe precludono la possibilità di tali processi di guarigione”.

Saldatura a freddo del fianco della fessura

Il team SNL non stava cercando intenzionalmente questo effetto quando è iniziato l'esperimento, ma dopo averlo osservato, i membri hanno identificato il processo di inversione del danno, o "autoriparazione", come una forma di saldatura a freddo che si verifica sui fianchi delle crepe. Questo effetto è indotto da una combinazione di stress locale e migrazione dei bordi del grano Michael Demkowicz, professore di scienza e ingegneria dei materiali presso Texas A & M, nel 2013 aveva previsto che ciò fosse possibile.

"Quando la microstruttura del materiale cambia, può unire le forze opposte di una fessura", spiega Demkowicz. "Se quelle facce sono pulite, possono legarsi e 'guarire' tramite saldatura a freddo."

Sebbene i ricercatori abbiano già fabbricato materiali autoriparanti, questi erano principalmente realizzati in plastica, non in metallo. Demkowicz, tuttavia, calcolò che, in determinate condizioni, i metalli dovrebbero essere in grado di saldare le crepe create dai danni da fatica. "Si è rivelato difficile elaborare un esperimento che potesse verificare la mia previsione, ma i ricercatori del SNL, che in realtà stavano lavorando per comprendere l'evoluzione generale del danno, hanno finito per osservare il processo che avevo teorizzato."

Nel breve termine, dice Demkowicz Mondo della fisica che le scoperte del team aiuteranno a migliorare le teorie sulle fratture nei metalli. A lungo termine, potrebbero portare a nuove strategie per progettare metalli che resistano ai danni.

Per questo studio, dettagliato in Natura, i ricercatori hanno effettuato le misurazioni nel vuoto, quindi non è chiaro se la guarigione delle crepe possa avvenire anche nell'aria. I ricercatori ora vorrebbero scoprire se ciò è possibile.

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