Door vermoeidheid veroorzaakte scheuren smelten weer samen in metalen – Physics World

Door vermoeidheid veroorzaakte scheuren smelten weer samen in metalen – Physics World

Tijdstempel: 21 augustus 2023 8:00 uur

Foto van Ryan Schoell die naar een computerscherm kijkt in een donker laboratorium badend in rood laserlicht
Vermoeiingsscheuren op nanoschaal bestuderen: Sandia National Laboratories-onderzoeker Ryan Schoell gebruikt een gespecialiseerde transmissie-elektronenmicroscooptechniek ontwikkeld door Khalid Hattar, Dan Bufford en Chris Barr om vermoeiingsscheuren op nanoschaal te bestuderen. (Met dank aan Craig Fritz, Sandia National Laboratories)

Onderzoekers van Sandia National Laboratories (SNL) en Texas A&M University in de VS hebben waargenomen dat scheuren in een metaal korter worden. De onverwachte bevinding – scheuren worden normaal gesproken langer – zet theorieën over breuken in metalen op zijn kop en zou kunnen helpen bij het ontwerpen van materialen die hun eigen interne schade ‘genezen’.

Wanneer metalen herhaaldelijk spanningen en spanningen ondergaan, beginnen zich microscopisch kleine scheurtjes te vormen. Deze scheuren zijn een soort vermoeiingsschade, en na verloop van tijd groeien en verspreiden ze zich totdat ze er uiteindelijk voor zorgen dat de constructie bezwijkt – vaak op onvoorspelbare wijze.

Er werd aangenomen dat een dergelijke groei onomkeerbaar was, maar onderzoekers lieten zich leiden SNL materiaalwetenschapper en ingenieur Brad Boyce ontdekte dat dit niet noodzakelijk waar is. In hun onderzoek gebruikten ze een speciaal aangepaste elektronenmicroscoop waarmee ze herhaaldelijk platinamonsters op nanoschaal konden uitrekken terwijl ze observeerden wat er binnenin gebeurde. Zoals verwacht zagen ze al vroeg in het experiment vermoeiingsscheuren op nanoschaal verschijnen. Onverwachts zagen ze echter ook dat de uiteinden van de scheuren ongeveer 40 minuten later weer samensmolten.

“Er werd verwacht dat scheuren alleen maar groter zouden worden, en niet kleiner”, zegt Boyce. "Zelfs sommige basisvergelijkingen die we gebruiken om de groei van scheuren te beschrijven, sluiten de mogelijkheid van dergelijke genezingsprocessen uit."

Scheurflank koudlassen

Het SNL-team was niet doelbewust op zoek naar dit effect toen het experiment begon, maar nadat ze het hadden waargenomen, identificeerden de leden het schade-omkeringsproces, of 'zelfherstel', als een vorm van koudlassen die optreedt aan de flanken van scheuren. Dit effect wordt veroorzaakt door een combinatie van lokale spanning en korrelgrensmigratie Michaël Demkowicz, hoogleraar materiaalkunde en techniek bij Texas A&M, voorspelde in 2013 dat het mogelijk was.

“Wanneer de microstructuur van het materiaal verandert, kan het de tegengestelde krachten van een scheur samenbrengen”, legt Demkowicz uit. “Als die vlakken schoon zijn, kunnen ze zich hechten en ‘genezen’ via koudlassen.”

Hoewel onderzoekers al eerder zelfherstellende materialen hebben vervaardigd, zijn deze voornamelijk gemaakt van plastic en niet van metaal. Demkowicz berekende echter dat metalen onder bepaalde omstandigheden in staat zouden moeten zijn scheuren, ontstaan ​​door vermoeiingsschade, dicht te lassen. “Het bleek moeilijk om met een experiment te komen dat mijn voorspelling kon testen, maar de SNL-onderzoekers, die in feite werkten aan het begrijpen van de algemene schade-evolutie, observeerden toevallig uiteindelijk het proces dat ik had getheoretiseerd.”

Op de korte termijn, vertelt Demkowicz Natuurkunde wereld dat de bevindingen van het team de theorieën over breuken in metalen zullen helpen verbeteren. Op de langere termijn kunnen ze leiden tot nieuwe strategieën voor het ontwerpen van metalen die bestand zijn tegen schade.

Voor dit onderzoek, dat gedetailleerd wordt beschreven in NATUURvoerden de onderzoekers hun metingen uit in een vacuüm, waardoor het onduidelijk is of de scheurgenezing ook in de lucht kan plaatsvinden. De onderzoekers willen nu graag weten of dit mogelijk is.

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld