Створені втомою тріщини знову зливаються разом у металах – Physics World

Створені втомою тріщини знову зливаються разом у металах – Physics World

Мітка часу: 21 серпня 2023 р., 8:00

Фотографія Райана Шолла, який дивиться на екран комп’ютера в темній лабораторії, залитій червоним лазерним світлом
Вивчення втомних тріщин на нанорозмірі: дослідник Sandia National Laboratories Райан Шоел використовує спеціалізований трансмісійний електронний мікроскоп, розроблений Халідом Хаттаром, Деном Баффордом і Крісом Барром, для вивчення втомних тріщин на нанорозмірі. (З дозволу: Крейг Фріц, Національна лабораторія Сандіа)

Дослідники з національних лабораторій Sandia (SNL) і Техаського університету A&M у США помітили, що тріщини в металі стають коротшими. Несподівана знахідка – тріщини зазвичай стають довшими – перевертає теорії руйнування металів і може допомогти в розробці матеріалів, які «лікують» власні внутрішні пошкодження.

Коли метали постійно зазнають напруг і деформацій, починають утворюватися мікроскопічні тріщини. Ці тріщини є типом втомного пошкодження, і з часом вони ростуть і поширюються, поки врешті-решт не призведуть до руйнування конструкції – часто непередбачувано.

Вважалося, що таке зростання є незворотнім, але дослідники керувалися цим SNL матеріалознавець та інженер Бред Бойс виявив, що це не обов’язково правда. У своєму дослідженні вони використовували спеціально модифікований електронний мікроскоп, який дозволяв їм кілька разів деформувати нанорозмірні зразки платини, спостерігаючи за тим, що відбувається всередині них. Як і очікувалося, вони побачили нанорозмірні втомні тріщини, які з’явилися на початку експерименту. Однак несподівано вони також побачили кінці тріщин, які злилися разом приблизно через 40 хвилин.

«Очікувалося, що тріщини стануть лише більшими, а не меншими», — каже Бойс. «Навіть деякі з основних рівнянь, які ми використовуємо для опису зростання тріщин, виключають можливість таких процесів загоєння».

Холодне зварювання бокової тріщини

На початку експерименту команда SNL спеціально не шукала цей ефект, але після спостереження за ним члени визначили процес відновлення пошкоджень або «самовідновлення» як форму холодного зварювання, яке відбувається на боках тріщин. Цей ефект викликаний поєднанням локальної напруги та міграції меж зерен Михайло Демкович, професор матеріалознавства та інженерії в Техас A&M, передбачив у 2013 році, що це можливо.

«Коли змінюється мікроструктура матеріалу, це може зіштовхнути протилежні сили тріщини», — пояснює Демкович. «Якщо ці поверхні чисті, вони можуть з’єднатися та «зцілитися» за допомогою холодного зварювання».

Хоча дослідники виготовляли матеріали, що самовідновлюються, в основному з пластику, а не з металу. Проте Демкович підрахував, що за певних умов метали повинні бути здатні закривати тріщини, утворені втомним пошкодженням. «Було важко придумати експеримент, який міг би перевірити мій прогноз, але дослідники SNL, які фактично працювали над розумінням загальної еволюції пошкоджень, випадково закінчили тим, що спостерігали процес, який я теоретизував».

Найближчим часом, розповідає Демкович Світ фізики що результати команди допоможуть покращити теорії руйнування металів. У довгостроковій перспективі вони можуть призвести до нових стратегій розробки металів, стійких до пошкоджень.

Для цього дослідження, яке детально описано в природа, дослідники виконували свої вимірювання у вакуумі, тому незрозуміло, чи може загоєння тріщин також відбуватися на повітрі. Тепер дослідники хочуть з'ясувати, чи можливо це.

Часова мітка:

Більше від Світ фізики