Forskere fanger, hvordan materialer går i stykker efter et ekstremt stød

At forstå, hvordan materialer deformeres og katastrofalt mislykkes, når de påvirkes af et kraftigt stød, er afgørende på en lang række områder, herunder astrofysik, materialevidenskab og rumfartsteknik. Men indtil for nylig, hulrums rolle, eller små porer, i en så hurtig proces ikke kunne bestemmes, kræver, at målinger foretages ved milliontedele af en milliarddel af et sekund.

Nu har et internationalt forskerhold brugt ultralette røntgenstråler til at foretage de første observationer af, hvordan disse hulrum udvikler sig og bidrager til skader i kobber efter påvirkning af et ekstremt stød. Holdet, herunder forskere fra University of Miami, Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og Argonne National Laboratory, Imperial College London og universiteterne i Oxford og York offentliggjorde deres resultater i Videnskab fremskridt .

"Om disse materialer er i en satellit, der er ramt af en mikrometeorit, et rumfartøj, der kommer ind i atmosfæren med hypersonisk hastighed eller en jetmotor eksploderer, de skal fuldt ud absorbere al den energi uden katastrofalt svigt, "siger hovedforfatter James Coakley, en assisterende professor i mekanik og rumfartsteknik ved University of Miami. "Vi forsøger at forstå, hvad der sker i et materiale under denne form for ekstremt hurtig fiasko. Dette eksperiment er den første runde af forsøg på at gøre det, ved at se på, hvordan materialet komprimerer og udvider sig under deformation, før det til sidst går i stykker. "

Schweizisk ost

I forsøget, forskerne chokerede en kobberprøve med laserpulser, derefter spredt røntgenstråler fra SLACs Linac Coherent Light Source (LCLS) røntgenfri elektronlaser gennem materialet for at spore dets deformation. Ud fra mønstrene de spredte røntgenstråler lavet i to detektorer, de var i stand til at se, hvordan chokket komprimerede og derefter udvidede materialets atomgitter i en detektor, samtidig med at de observerede tomrumsudvikling i den anden detektor.

Den indledende klemning lukkede allerede eksisterende hulrum i materialet, Siger Coakley. Da materialet udvidede sig igen, "Du får mere og mere af disse små hulrum, der kører og vokser, når skaden breder sig gennem materialet, som et stykke schweizisk ost. På et bestemt tidspunkt, de begynder at slutte sig sammen, indtil du til sidst står tilbage med store porer, der forårsager ultimativ fiasko. "

Forskerne opdagede også, at materialets styrke, eller evnen til at modstå skader, afhang af, hvor hurtigt den eksterne stress blev påført og frigivet.

"Lysstyrken af ​​røntgenstrålerne og de tidsskalaer, vi var i stand til at se på, var afgørende for succes med dette eksperiment, "siger SLAC -direktør for strategisk planlægning Despina Milathianaki, der udtænkte og havde tilsyn med LCLS -eksperimentet. "Denne kombination af faktorer gav os mulighed for at spore præcis, hvad der skete i prøven, da den brød fra hinanden på tid- og længdeskalaer, der tidligere kun kunne simuleres, giver indsigt i de underliggende defekter, der forårsagede materialefejl. "

Overlever chokket

Dette eksperiment fokuserede på at demonstrere, hvordan teknikken kan bruges til at forstå ultrahurtig materialedeformation. Forskerne planlægger at lave fremtidige eksperimenter på mere avancerede materialer og under eksperimentelle forhold, der mere matcher virkelige applikationer.

"Det var spændende at kunne visualisere og forstå hele materialets livscyklus, "Siger Milathianaki." Det er en fantastisk demonstration af, hvad der kan gøres på LCLS for at forstå materialefejl mere bredt. Slutmålet er fuldt ud at forstå, hvordan materialer fejler, så du kan designe nye materialer, der bedre kan modstå disse intense forhold. "