Трещины, возникшие в результате усталости, снова срастаются в металлах

Трещины, возникшие в результате усталости, снова срастаются в металлах

Отметка времени: 21 августа 2023 г., 8:00

Фотография Райана Шоэлла, смотрящего на экран компьютера в темной лаборатории, залитой красным лазерным светом.
Изучение усталостных трещин на наноуровне: исследователь Sandia National Laboratories Райан Шоэлл использует специализированную технику трансмиссионного электронного микроскопа, разработанную Халидом Хаттаром, Дэном Баффордом и Крисом Барром, для изучения усталостных трещин на наноуровне. (С разрешения: Крейг Фриц, Национальная лаборатория Сандии)

Исследователи из Национальной лаборатории Сандии (SNL) и Техасского университета A&M в США заметили, что трещины в металле становятся короче. Неожиданное открытие — трещины обычно становятся длиннее — переворачивает с ног на голову теории разрушения металлов и может помочь в разработке материалов, которые «заживляют» свои собственные внутренние повреждения.

Когда металлы неоднократно подвергаются напряжениям и деформациям, начинают образовываться микроскопические трещины. Эти трещины представляют собой тип усталостного повреждения, и со временем они растут и распространяются, пока в конечном итоге не приведут к разрушению конструкции – часто непредсказуемо.

Предполагалось, что такой рост будет необратимым, но исследователи во главе с SNL ученый-материаловед и инженер Брэд Бойс обнаружил, что это не обязательно так. В своем исследовании они использовали специально модифицированный электронный микроскоп, который позволил им многократно подвергать наноразмерные образцы платины, наблюдая за тем, что происходит внутри них. Как и ожидалось, на ранних этапах эксперимента они увидели появление наноразмерных усталостных трещин. Однако неожиданно они также увидели, как примерно 40 минут спустя концы трещин снова срослись.

«Всегда ожидалось, что трещины будут только увеличиваться, а не уменьшаться», — говорит Бойс. «Даже некоторые из основных уравнений, которые мы используем для описания роста трещин, исключают возможность таких процессов заживления».

Холодная сварка боковой поверхности трещины

Команда SNL не искала целенаправленно этот эффект в начале эксперимента, но, наблюдая за ним, участники определили процесс устранения повреждений, или «самовосстановление», как форму холодной сварки, которая происходит по бокам трещин. Этот эффект вызван комбинацией локального напряжения и миграции границ зерен, и Майкл Демкович, профессор материаловедения и инженерии в Texas A & M, предсказал в 2013 году, что это возможно.

«Когда микроструктура материала меняется, она может сблизить противоположные силы трещины», — объясняет Демкович. «Если эти поверхности чистые, их можно склеить и «заживить» с помощью холодной сварки».

Хотя исследователи и раньше изготавливали самовосстанавливающиеся материалы, в основном они делались из пластика, а не из металла. Демкович, однако, подсчитал, что при определенных условиях металлы должны быть способны заваривать трещины, образовавшиеся в результате усталостных повреждений. «Оказалось сложно придумать эксперимент, который мог бы проверить мое предсказание, но исследователи SNL, которые на самом деле работали над пониманием общей эволюции повреждений, по счастливой случайности в конечном итоге наблюдали процесс, который я теоретизировал».

В ближайшем будущем, говорит Демкович, Мир физики что выводы команды помогут улучшить теории разрушения металлов. В долгосрочной перспективе они могут привести к разработке новых стратегий создания металлов, устойчивых к повреждениям.

Для этого исследования, которое подробно описано в природаИсследователи проводили свои измерения в вакууме, поэтому неясно, может ли заживление трещин происходить и на воздухе. Теперь исследователи хотели бы выяснить, возможно ли это.

Отметка времени:

Больше от Мир физики