211service.com
Metale samoleczące
Kiedy doktorant Guoqiang Xu i adiunkt nauk o materiałach i inżynierii Michael Demkowicz, SM ’04, dr ’05, po raz pierwszy zobaczyli wynik, pomyśleli, że to pomyłka. Odkryli, że w pewnych warunkach naprężenie pękniętego kawałka metalu — to znaczy wywarcie siły, której można by oczekiwać, aby go rozerwać — miało odwrotny skutek, powodując zamknięcie pęknięcia i stopienie się jego krawędzi. Twierdzą, że odkrycie może prowadzić do samonaprawiających się materiałów, które naprawiają początkowe uszkodzenia, zanim zdążą się rozprzestrzenić.
Symulacja pokazuje małe pęknięcie (ciemny poziomy pasek), które samoczynnie się naprawia, gdy metal jest poddawany naprężeniom.
Musieli wrócić i sprawdzić, mówi Demkowicz, kiedy zamiast się wydłużać, [szczelina] się zamykała. Następne pytanie brzmiało: „Dlaczego tak się dzieje?”
Odpowiedź okazała się tkwić w krystalicznej mikrostrukturze metalu – w tym przypadku niklu, który jest podstawą superstopów wykorzystywanych w ekstremalnych środowiskach, takich jak głębinowe szyby naftowe. Tworząc komputerowy model mikrostruktury niklu i badając jego reakcję na różne warunki – mówi Demkowicz – odkryliśmy, że istnieje mechanizm, który w zasadzie może zamykać pęknięcia pod każdym przyłożonym naprężeniem.
Metale zwykle składają się z maleńkich ziaren kryształów — obszarów, w których atomy są ułożone w ściśle uporządkowany sposób. Na granicach między tymi ziarnami orientacja tego wzoru może się gwałtownie zmienić. Jak stwierdzili Demkowicz i Xu, w pewnych warunkach naprężenie powoduje zmianę mikrostruktury, powodując migrację granic ziaren. W efekcie jedno ziarno rośnie, a sąsiednie kurczy się. Ta migracja granic ziaren jest kluczem do zagojenia pęknięcia, mówi Demkowicz.
Jak wyjaśnia, samoleczenie zachodzi tylko w metalach zawierających pewien rodzaj granicy – takiej, która rozciąga się częściowo przez ziarno, ale nie na całej jego długości. Stwarza to rodzaj defektu znanego jako dysklinacja.
Te defekty mają intensywne pola naprężeń, które mogą być tak silne, że faktycznie odwracają to, co zrobiłoby przyłożone obciążenie – mówi Demkowicz. Tak więc, gdy obie strony pękniętego materiału zostaną rozerwane, zamiast dalej pękać, może się zagoić. Stres wywołany dysklinacjami prowadzi do tego nieoczekiwanego zachowania, mówi.
Po odkryciu tego mechanizmu naukowcy planują zbadać, jak zaprojektować stopy metali tak, aby pęknięcia zamykały się i goiły pod obciążeniami typowymi dla konkretnych zastosowań. Techniki kontrolowania mikrostruktury stopów już istnieją, mówi Demkowicz, więc wystarczy wymyślić, jak osiągnąć pożądany efekt.
To pole, które dopiero otwieramy, mówi. Jak zaprojektować mikrostrukturę do samoleczenia? To bardzo nowe.