МатериалыНанотехнологии

Удивительное открытие: металлы могут избавляться от трещин сами по себе

Ученые впервые стали свидетелями того, как на металле появились трещины, а затем исчезли без какого-либо вмешательства человека, опровергая при этом фундаментальные научные теории. Если обнаруженное явление удастся использовать, оно может привести к инженерной революции, в которой самовосстанавливающиеся двигатели, мосты и самолеты смогут сами устранять повреждения, вызванные износом, делая их более безопасными и долговечными.

Команда из Sandia National Laboratories и Техасского университета A&M проверяла устойчивость металла, используя специальную технику просвечивающего электронного микроскопа, вытягивая концы металла 200 раз в секунду.

Затем они наблюдали самовосстановление в сверхмалых масштабах в куске платины толщиной 40 нанометров, подвешенном в вакууме.

Трещины, вызванные описанным выше видом деформации, известны как усталостное повреждение: повторяющееся напряжение и движение, вызывающие микроскопические разрывы, в конечном итоге приводящие к поломке машин или конструкций.

Удивительно, но примерно через 40 минут наблюдения трещина в платине начала снова сливаться и залечиваться, прежде чем снова начать двигаться в другом направлении.

«Было совершенно ошеломляюще — впервые наблюдать это», — сказал Брэд Бойс, специалист по материалам Sandia. «Мы подтвердили, что металлы обладают собственной естественной способностью к самовосстановлению, по крайней мере, в случае усталостного повреждения на наноуровне».

Усталостное повреждение является одним из причин износа машин и, в конечном счете, их поломки. Повторяющееся напряжение или движение вызывают образование микроскопических трещин. Со временем эти трещины растут и расширяются, пока не происходит разрыв.

Трещина, которую ученые видели исчезнувшей, была одной из крошечных, но последовательных трещин, измеряемых в нанометрах.

«От паяных соединений в наших электронных устройствах до двигателей наших автомобилей и мостов, по которым мы проезжаем, эти конструкции часто непредсказуемо выходят из строя из-за циклической нагрузки, которая приводит к возникновению трещин и, в конечном итоге, разрушению», — говорят исследователи.

«Когда они выходят из строя, нам приходится бороться с затратами на замену, потерянным временем и, в некоторых случаях, даже с травмами или гибелью людей. Экономический ущерб от этих отказов измеряется миллиардами».

Хотя ранее ученые создали некоторые самовосстанавливающиеся материалы, в основном пластмассы, понятие самовосстанавливающегося металла в значительной степени было областью научной фантастики.

«Предполагалось, что трещины в металлах будут только увеличиваться, а не уменьшаться. Даже некоторые из основных уравнений, которые мы используем для описания роста трещин, исключают возможность таких процессов заживления», — сказал Брэд Бойс.

Многое остается неизвестным о процессе самовосстановления, в том числе о том, станет ли он практическим инструментом в производственных условиях.

«Степень, в которой эти результаты можно обобщить, вероятно, станет предметом обширных исследований. Мы показываем, что это происходит в нанокристаллических металлах в вакууме. Но мы не знаем, может ли это происходить и в обычных металлах в воздухе».

Тем не менее, несмотря на все неизвестные, открытие остается прыжком вперед на переднем крае материаловедения.

Исследовательская группа описала свои выводы в журнале Nature.

Дополнительно
Nature
Показать больше
Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментарий
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
Back to top button