Utmattelsesgenererte sprekker smelter sammen igjen i metaller – Physics World

Utmattelsesgenererte sprekker smelter sammen igjen i metaller – Physics World

Tidsstempel: 21. august 2023 kl.8: 00

Foto av Ryan Schoell som ser på en dataskjerm i et mørkt laboratorium badet i rødt laserlys
Studerer tretthetssprekker på nanoskala: Sandia National Laboratories-forsker Ryan Schoell bruker en spesialisert transmisjonselektronmikroskopteknikk utviklet av Khalid Hattar, Dan Bufford og Chris Barr for å studere tretthetssprekker på nanoskala. (Med tillatelse: Craig Fritz, Sandia National Laboratories)

Forskere fra Sandia National Laboratories (SNL) og Texas A&M University i USA har observert sprekker i et metall som blir kortere. Det uventede funnet - sprekker vokser normalt lenger - opphever teorier om brudd i metaller og kan hjelpe til med utformingen av materialer som "heler" deres egen indre skade.

Når metaller gjentatte ganger utsettes for påkjenninger og tøyninger, begynner det å dannes mikroskopiske sprekker. Disse sprekkene er en type utmattelsesskader, og over tid vokser og sprer de seg til de til slutt får strukturen til å svikte – ofte uforutsigbart.

Slik vekst hadde vært antatt å være irreversibel, men forskere ledet av SNL materialviter og ingeniør Brad Boyce fant ut at dette ikke nødvendigvis er sant. I studien deres brukte de et spesielt modifisert elektronmikroskop som tillot dem å sile nanoskalaprøver av platina gjentatte ganger mens de observerte hva som skjer inni dem. Som forventet så de utmattelsessprekker i nanoskala tidlig i eksperimentet. Uventet så de imidlertid også endene av sprekker smelte sammen igjen omtrent 40 minutter senere.

"Sprekkene var bare noen gang forventet å bli større, ikke mindre," sier Boyce. "Selv noen av de grunnleggende ligningene vi bruker for å beskrive sprekkvekst utelukker muligheten for slike helbredelsesprosesser."

Sprekkflanke kaldsveising

SNL-teamet var ikke målrettet på utkikk etter denne effekten da eksperimentet begynte, men etter å ha observert det identifiserte medlemmene skadereverseringsprosessen, eller "selvhelbredelse", som en form for kaldsveising som oppstår ved kantene av sprekker. Denne effekten induseres av en kombinasjon av lokalt stress og korngrensevandring, og Michael Demkowicz, professor i materialvitenskap og ingeniørfag ved Texas A&M, spådde i 2013 at det var mulig.

"Når mikrostrukturen til materialet endres, kan det presse sammen de motsatte kreftene til en sprekk," forklarer Demkowicz. "Hvis disse ansiktene er rene, kan de binde seg og "heles" via kaldsveising."

Mens forskere har laget selvhelbredende materialer før, har disse hovedsakelig vært laget av plast, ikke metall. Demkowicz beregnet imidlertid at metaller under visse betingelser skulle kunne sveise sammen sprekker skapt av utmattelsesskader. "Det viste seg å være vanskelig å komme opp med et eksperiment som kunne teste spådommen min, men SNL-forskerne, som faktisk jobbet med å forstå generell skadeutvikling, endte uten tvil opp med å observere prosessen som jeg hadde teoretisert."

På kort sikt, forteller Demkowicz Fysikkens verden at teamets funn vil bidra til å forbedre teorier om brudd i metaller. På lengre sikt kan de føre til nye strategier for utforming av metaller som motstår skade.

For denne studien, som er detaljert i Natur, utførte forskerne sine målinger i et vakuum, så det er uklart om sprekktilhelingen også kan skje i luft. Forskerne vil nå finne ut om dette er mulig.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden