Các vết nứt do mỏi tạo ra kết hợp lại với nhau trong kim loại – Thế Giới Vật Lý

Các vết nứt do mỏi tạo ra kết hợp lại với nhau trong kim loại – Thế Giới Vật Lý

Dấu thời gian: 21:2023 sáng ngày 8 tháng 00 năm XNUMX

Bức ảnh Ryan Schoell đang nhìn vào màn hình máy tính trong phòng thí nghiệm tối tăm ngập trong ánh sáng laze đỏ
Nghiên cứu các vết nứt mỏi ở cấp độ nano: Nhà nghiên cứu Ryan Schoell của Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia sử dụng kỹ thuật kính hiển vi điện tử truyền qua chuyên dụng do Khalid Hattar, Dan Bufford và Chris Barr phát triển để nghiên cứu các vết nứt mỏi ở cấp độ nano. (Được phép: Craig Fritz, Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia)

Các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia (SNL) và Đại học Texas A&M ở Mỹ đã quan sát thấy các vết nứt trên kim loại ngày càng ngắn hơn. Phát hiện bất ngờ – các vết nứt thường dài ra hơn – lật ngược lý thuyết về vết nứt trong kim loại và có thể giúp thiết kế các vật liệu “chữa lành” những hư hỏng bên trong của chính chúng.

Khi kim loại liên tục chịu ứng suất và biến dạng, các vết nứt cực nhỏ bắt đầu hình thành. Những vết nứt này là một loại hư hỏng do mỏi và theo thời gian, chúng phát triển và lan rộng cho đến khi cuối cùng khiến cấu trúc bị hỏng - thường không thể đoán trước được.

Sự tăng trưởng như vậy được cho là không thể đảo ngược được, nhưng các nhà nghiên cứu dẫn đầu bởi SNL nhà khoa học và kỹ sư vật liệu Brad Boyce thấy rằng điều này không nhất thiết đúng. Trong nghiên cứu của mình, họ đã sử dụng một kính hiển vi điện tử được sửa đổi đặc biệt cho phép họ làm căng các mẫu bạch kim có kích thước nano nhiều lần trong khi quan sát những gì xảy ra bên trong chúng. Đúng như dự đoán, họ đã thấy các vết nứt mỏi có kích thước nano xuất hiện sớm trong thí nghiệm. Tuy nhiên, thật bất ngờ, khoảng 40 phút sau, họ cũng nhìn thấy các đầu vết nứt dính lại với nhau.

Boyce nói: “Các vết nứt được cho là sẽ ngày càng lớn hơn chứ không phải nhỏ hơn”. “Ngay cả một số phương trình cơ bản mà chúng tôi sử dụng để mô tả sự phát triển của vết nứt cũng ngăn cản khả năng xảy ra các quá trình chữa lành như vậy”.

Hàn nguội sườn nứt

Nhóm SNL không chủ đích tìm kiếm hiệu ứng này khi thí nghiệm bắt đầu, nhưng sau khi quan sát nó, các thành viên đã xác định được quá trình đảo ngược thiệt hại hay “tự phục hồi” là một dạng hàn nguội xảy ra ở sườn các vết nứt. Hiệu ứng này được gây ra bởi sự kết hợp giữa ứng suất cục bộ và sự di chuyển ranh giới hạt, và Michael Demkowicz, giáo sư khoa học và kỹ thuật vật liệu tại Texas A & M, được dự đoán vào năm 2013 rằng điều đó là có thể.

Demkowicz giải thích: “Khi cấu trúc vi mô của vật liệu thay đổi, nó có thể đẩy các lực đối nghịch của vết nứt lại với nhau. “Nếu những khuôn mặt đó sạch sẽ, chúng có thể liên kết và 'chữa lành' thông qua hàn lạnh.”

Mặc dù trước đây các nhà nghiên cứu đã chế tạo được vật liệu tự phục hồi nhưng chúng chủ yếu được làm bằng nhựa chứ không phải kim loại. Tuy nhiên, Demkowicz tính toán rằng trong những điều kiện nhất định, kim loại có thể hàn kín các vết nứt do mỏi gây ra. “Thật khó để đưa ra một thí nghiệm có thể kiểm tra dự đoán của tôi, nhưng các nhà nghiên cứu SNL, những người trên thực tế đang nghiên cứu tìm hiểu sự tiến hóa của thiệt hại nói chung, đã tình cờ quan sát được quá trình mà tôi đã đưa ra giả thuyết.”

Trong thời gian tới, Demkowicz nói Thế giới vật lý rằng những phát hiện của nhóm sẽ giúp cải thiện lý thuyết về vết nứt trong kim loại. Về lâu dài, chúng có thể dẫn đến những chiến lược mới để thiết kế kim loại có khả năng chống chịu hư hỏng.

Đối với nghiên cứu này, được trình bày chi tiết trong Thiên nhiên, các nhà nghiên cứu đã thực hiện phép đo của họ trong chân không, vì vậy không rõ liệu vết nứt có thể lành lại trong không khí hay không. Các nhà nghiên cứu bây giờ muốn tìm hiểu xem điều này có thể thực hiện được hay không.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý