Selvhelbredende metaller

Da kandidatstuderende Guoqiang Xu og assisterende professor i materialevidenskab og teknik Michael Demkowicz, SM ’04, PhD ’05, først så resultatet, troede de, at det måtte være en fejl. Under visse forhold fandt de ud af, at det at sætte et revnet stykke metal under spænding - det vil sige at udøve en kraft, der forventes at trække det fra hinanden - havde den omvendte effekt, hvilket fik revnen til at lukke og dens kanter til at smelte sammen. Fundet, siger de, kan føre til selvhelbredende materialer, der reparerer begyndende skader, før det har en chance for at sprede sig.

En simulering viser en lille revne (mørk vandret bjælke), der reparerer sig selv, når metal udsættes for stress.

De var nødt til at gå tilbage og tjekke, siger Demkowicz, da [sprækken] i stedet for at forlænge, ​​lukkede sig. Det næste spørgsmål var: 'Hvorfor sker det?'

Svaret viste sig at ligge i den krystallinske mikrostruktur af et metal - i dette tilfælde nikkel, som er grundlaget for superlegeringer, der bruges i ekstreme miljøer såsom dybhavsoliebrønde. Ved at skabe en computermodel af nikkels mikrostruktur og studere dens reaktion på forskellige forhold, siger Demkowicz, fandt vi ud af, at der er en mekanisme, der i princippet kan lukke revner under enhver påført belastning.

Metaller har en tendens til at være opbygget af bittesmå krystalkorn - områder, hvor atomerne er opstillet på en præcist ordnet måde. Ved grænserne mellem disse korn kan orienteringen af ​​dette mønster ændre sig brat. Under visse forhold, fandt Demkowicz og Xu, får stress mikrostrukturen til at ændre sig, hvilket får korngrænserne til at migrere, siger de. Faktisk vokser et korn, mens det tilstødende krymper. Denne korngrænsevandring er nøglen til at helbrede revnen, siger Demkowicz.

Selvhelbredelse forekommer kun i metaller, der indeholder en vis form for grænse, forklarer han - en, der strækker sig halvvejs gennem et korn, men ikke hele vejen hen over det. Dette skaber en type defekt kendt som en disklinering.

Disse defekter har intense stressfelter, som kan være så stærke, at de faktisk vender om, hvad en påført belastning ville gøre, siger Demkowicz. Så når de to sider af et revnet materiale trækkes fra hinanden, i stedet for at revne yderligere, kan det hele. Stresset fra disklineringerne fører til denne uventede adfærd, siger han.

Efter at have opdaget denne mekanisme planlægger forskerne at studere, hvordan man designer metallegeringer, så revner lukker og heler under belastninger, der er typiske for særlige applikationer. Teknikker til styring af mikrostrukturen af ​​legeringer findes allerede, siger Demkowicz, så det er bare et spørgsmål om at finde ud af, hvordan man opnår et ønsket resultat.

Det er et felt, vi lige åbner op for, siger han. Hvordan designer man en mikrostruktur til selvhelbredelse? Dette er meget nyt.

skjule