Teams billede af revner i handlingen kunne forhindre tekniske fejl

I arbejde, der kan hjælpe med at forhindre fejl i alt fra broer til tandimplantater, et team ledet af en forsker ved Texas A&M University har taget det første 3D-billede af en mikroskopisk revne, der formerer sig gennem et metal, der er beskadiget af brint.

"For første gang var vi i stand til at fange revnen på ny, "sagde Dr. Michael J. Demkowicz, lektor i Institut for Materialevidenskab og Teknik ved Texas A&M.

Tidligere har den eneste måde at analysere en sådan metalsvigt var at se på de adskilte stykker af en helt brudt komponent, hvilket medfører en vis mængde gæt. Den nye forskning viser, hvad der sker ved revnen, da en del begynder at gå i stykker.

"Det er meget bedre end at ankomme til gerningsstedet efter det faktum, "sagde Demkowicz.

Som resultat, teamet identificerede 10 mikroskopiske strukturer, der gør metaller stærkere og mindre modtagelige for en vigtig miljøfaktor - brintet omkring os - der kan skade dem.

Deres arbejde udgives i Naturkommunikation . Det blev udført ved hjælp af to kraftfulde værktøjer ved Argonne National Laboratory's Advanced Photon Source (APS), og repræsenterer en milepæl for et af disse værktøjer som det første eksperiment udført af forskere uden for udviklingsteamet ved Argonne og Carnegie Mellon University (CMU).

Et fælles problem

Metaller omgiver os i et hvilket som helst antal strukturer og enheder, men de kan blive negativt påvirket af det allestedsnærværende brint omkring os, mest fra vand.

"Hydrogen kommer ind i metallet og får det til at bryde uventet i en proces kaldet brintskørhed, "sagde John P. Hanson, en reaktoringeniør i Oklo og første forfatter af papiret.

Et fremtrædende eksempel involverer Bay Bridge i San Francisco. Da broen blev bygget i 2013, ingeniører opdagede, at 32 af de 96 enorme bolte, der var nøglen til strukturen, havde revnet på grund af brintskørhed. Problemet blev fanget tidligt, så der var ingen katastrofe, men det forsinkede åbningen af ​​broen med et par år.

Forskere har undersøgt brintskørhed i over 150 år, men det er stadig svært at forudsige.

"Det skyldes i høj grad, at vi ikke har en fuldstændig forståelse af mekanismerne bag, sagde Hanson, der udførte arbejdet, mens han fik sin doktorgrad fra Massachusetts Institute of Technology (MIT).

"Som resultat, ingeniører skal overdesign med yderligere materiale for at dække enhver pludselig fejl, og det koster meget, "sagde medforfatter Peter Kenesei fra Argonne, hvem betjener de instrumenter, der bruges i arbejdet. "Så en bedre forståelse af denne adfærd kan have en enorm økonomisk indvirkning."

Fremskridt

"Du kan gøre fremskridt med gamle problemer, når du har nye værktøjer, "sagde Demkowicz. Forskerne anvendte to forskellige synkrotronværktøjer, højenergidiffraktionsmikroskopi og røntgenabsorptionstomografi, at analysere den mikroskopiske struktur af en revne i en superlegering af nikkel. Undersøgelsen repræsenterer første gang mikroskopiteknikken blev brugt af forskere, der ikke var involveret i dens udvikling. Det kombinerede eksperimentelle værktøj og analysesoftware er unikt i verden.

Et metal består af mikroskopiske krystaller, eller korn. I nikkelsuperlegeringer, de brud forårsaget af brintskørhed rejser langs grænserne mellem disse korn. Hanson sagde, at de unikke værktøjer ved APS beamline 1-ID tillader for første gang ikke kun at se på kornet orienteringer omkring en revne i gang, men også korngrænserne. Ud fra disse observationer, teamet identificerede 10 korngrænser, der er mere modstandsdygtige over for revner.

"Vi kunne ikke kun vise, hvilke korngrænser der er stærkere, men præcis hvad det er ved dem, der forbedrer deres præstationer, "Sagde Hanson. Dette kan i sidste ende give ingeniører mulighed for at bygge stærkere metaller ved at designe dem med disse egenskaber.

På den nærmeste sigt, Argonne -værktøjerne kunne bruges til at afbilde mikrostrukturen af ​​eksisterende metalkomponenter for bedre at forudsige deres modtagelighed for fejl. Kenesei bemærker, at værktøjerne allerede bruges på denne måde til at studere andre tekniske materialer, såsom dem, der vedrører fly, batterier og atomreaktorer.

Ekstreme udfordringer

Undersøgelsen tog otte år at gennemføre, primært fordi det involverede enorme mængder data, der var vanskelige at analysere. Rødataene for værket ville fylde næsten 400 dvd'er. Yderligere, dataene ligner ikke en 3D-model af materialet.

"Det er stærkt krypteret i form af striber og prikker, eller diffraktionsmønstre, der skal analyseres af en supercomputer, "sagde Robert M. Suter fra Carnegie Mellon University (CMU), ekspert i analysen.

For at sætte udfordringerne i perspektiv, Demkowicz bemærker, at crack -mikrostrukturen faktisk er meget mere kompliceret end strukturen af ​​DNA, som Watson og Crick bestemte gennem den samme generelle proces, men i hånden.