Korrosion kan forbedre materialernes holdbarhed

Når det kommer til integriteten af ​​strukturelle legeringer, lidt korrosion kan nogle gange være en god ting.

Cornell-forskere brugte avanceret atommodellering til at udforske, hvordan miljøet kan påvirke væksten af ​​revner i legeringer såsom aluminium og stål - viden, der kunne hjælpe ingeniører med bedre at forudsige, og eventuelt udskyde, svigt af strukturer. Og ved at fjerne atomer fra spidsen af ​​en revne, modelleringen viste, at forskerne kunne forhindre en revne i at forplante sig, væsentlig forbedring af materialets mekaniske ydeevne.

Holdets papir, "Opløsning ved en duktil revnespids, " udgivet 1. okt. in Fysisk gennemgangsbreve . Hovedforfatteren er Wenjia Gu, Ph.d. '20.

"Folk har modelleret revnevækst og brud i lang tid, men den faktiske proces, hvorved det sker, har ikke rigtig været klar, i det mindste for strukturelle legeringer i komplicerede miljøer, " sagde Derek Warner, lektor i civil- og miljøteknik og avisens seniorforfatter. "Det kan være et meget storstilet fænomen - store strukturer kan sprække - men det kan kontrolleres på atomær skala, især når man ser på miljøeffekter."

Et miljø har mange forskellige mekanismer, hvorved det påvirker et materiale negativt, blandt dem opløsning, oxiddannelse, materialegenaflejring og brintskørhed. Warner og hans team i Cornell Fracture Group valgte at fokusere på opløsning, som kan findes overalt fra korroderede metaloverflader til eroderet menneskeknogle.

Holdet skabte en række atomare 2D-modeller af en strukturel legering, ligner aluminium og stål, det var duktilt - dvs. bøjeligt nok til at det ikke knuses, når det deformeres, som glas gør.

Ved at køre adskillige simuleringer, der stressede materialet med en række belastningscyklusser, forskerne var i stand til at se de forskellige måder, atomerne interagerede på. Forskerne begyndte derefter at fjerne løst bundne atomer fra overfladen, en ad gangen, og overvågede revnens opførsel.

De fandt ud af, at fjernelse af overflademateriale forhindrede revnen i at vokse.

"Tilbøjeligheden af ​​en revne til at vokse afhænger af, hvor skarp den er, " sagde Warner. "Hvis du har et stort rundt hak, det er usandsynligt, at det forplanter sig som en revne. Men hvis du har nogle skarpe træk, som en slids skåret med en kniv, det er mere tilbøjeligt til at vokse. Så på denne måde, materialefjernelse, svarende til hvad der sker under korrosion, kan faktisk forbedre den mekaniske ydeevne."

Der er en konsekvens af denne type ødelæggelse-som-forbedring i menneskelig biologi, Warner bemærkede. Osteoklaster, en type knoglecelle, opløse knoglevæv som en måde at fremme knoglevækst og modstå frakturering.

Denne tilgang kan have mange praktiske anvendelser, bare ved at lade naturen gå sin gang.

"Der er nogle situationer, hvor du ville have en konstrueret struktur, en strukturel legering, og man kan godt sige, det kan faktisk være en fordel at lade det tære en lille smule, fordi det kan sløve de revner, der allerede er der, " sagde Warner.

Forskningen er af særlig interesse for Office of Naval Research, som finansierede undersøgelsen, og dets bestræbelser på at holde dyre fly i sikker arbejdstilstand midt i det ekstreme havmiljø.

"Når et fly lander på et luftfartsskib, det er inden for 30 % af, hvad du ville kalde en styrtlanding, hver gang den lander. Du opererer i disse stramme marginer. Så lader du tingen sidde på hangarskibets dæk i solen, at blive pisket med saltvand og korrosion, " sagde Warner. "Du ved, hvad der sker, hvis du efterlader din cykel udenfor, ret? Med bedre modellering, de kan foretage en bedre vurdering af, om det er sikkert at flyve, og hvor ofte skal vi lave vedligeholdelse for at se efter problemer."