先進(jìn)的成像預(yù)測(cè)金屬斷裂。在這項(xiàng)研究中，氫氣脆化的鎳合金裂縫在沿晶界傳播時(shí)被“紅手”捕獲。

圖片來(lái)源：得克薩斯A＆M大學(xué)

    為防止從橋梁到牙科植入物等所有材料的破壞，一個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)拍攝了第一張材料微觀裂縫的3D圖像，該裂縫通過(guò)氫損壞的金屬進(jìn)行擴(kuò)展。

    德克薩斯A＆M大學(xué)材料科學(xué)與工程系副教授Michael J. Demkowicz博士說(shuō)：“這是我們第一次能夠阻止裂縫擴(kuò)展。”

    以前分析這種金屬失效的唯一方法是查看完全斷裂部件的分離部分，這需要進(jìn)行一定程度的猜測(cè)。新的研究能夠清晰的顯示，當(dāng)裂縫部分開始破裂時(shí)裂縫尖端發(fā)生了什么。

    Demkowicz說(shuō)：“這比事后諸葛亮要好得多。”

    因此，該團(tuán)隊(duì)確定了10種微觀結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)使金屬?gòu)?qiáng)度更高，更不容易受到極端環(huán)境因素影響，即我們周圍的氫氣可能會(huì)對(duì)該結(jié)構(gòu)造成損害。

    他們的論文發(fā)表在《Nature Communications》上。該試驗(yàn)是在阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)光子源（APS）上使用兩個(gè)強(qiáng)大的工具進(jìn)行的，并且其中一個(gè)工具的代表了一個(gè)里程碑，即這是阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)（CMU）開發(fā)團(tuán)隊(duì)之外的研究人員進(jìn)行的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)。

    一個(gè)常見問(wèn)題

    圍繞著我們?cè)O(shè)計(jì)的許多結(jié)構(gòu)和裝置的金屬，但它們可能受到我們周圍無(wú)處不在的氫氣（主要來(lái)自水）的負(fù)面影響。

    Oklo的反應(yīng)堆工程師，該論文的第一作者John P. Hanson說(shuō)：“氫進(jìn)入金屬導(dǎo)致金屬破裂（其破裂過(guò)程稱為氫脆）。”

    一個(gè)突出的例子，例如舊金山的海灣大橋，這座橋于2013年建成，工程師發(fā)現(xiàn)96個(gè)巨大的螺栓中有32個(gè)已經(jīng)破裂（由于氫脆），這個(gè)問(wèn)題提前就被發(fā)現(xiàn)了，所以沒(méi)有發(fā)生災(zāi)難，因此該橋推遲了幾年開放使用。

    科學(xué)家研究氫脆已有150多年，但對(duì)金屬發(fā)生該現(xiàn)象仍難以預(yù)測(cè)。

    Hanson（他在從麻省理工學(xué)院獲得博士學(xué)位的同時(shí)完成了這項(xiàng)研究工作。）說(shuō)：“這主要是因?yàn)槲覀儧](méi)有完全理解它（氫脆）背后的機(jī)制。”

    Argonne的Peter Kenesei是該項(xiàng)目的合作者，他負(fù)責(zé)操作工作中使用的儀器，他指出：“因?yàn)闅浯喱F(xiàn)象的不確定性，工程師必須使用額外的材料進(jìn)行保護(hù)設(shè)計(jì)，以應(yīng)對(duì)任何突發(fā)故障，導(dǎo)致成本很高，因此更好地了解這種行為可能會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)影響。”

    進(jìn)展

    Demkowicz說(shuō)：“當(dāng)您擁有新工具時(shí)，可以在舊問(wèn)題上取得進(jìn)展。”研究人員采用兩種不同的同步加速器工具（高能衍射顯微鏡和X射線吸收斷層掃描）來(lái)分析鎳合金中裂紋的微觀結(jié)構(gòu)。該研究項(xiàng)目代表了第一次未參與其開發(fā)的研究人員使用最新的顯微鏡觀察技術(shù)，并且研究人員在世界上獨(dú)創(chuàng)地運(yùn)用了實(shí)驗(yàn)工具和分析軟件。

    金屬由微觀晶體或晶粒組成，在鎳高溫合金中，氫脆導(dǎo)致的裂縫沿著這些晶粒之間的邊界傳播。Hanson表示，APS光束線1-ID上的獨(dú)特工具不僅可以首次觀察正在進(jìn)行的裂縫周圍的晶粒取向，甚至還可以觀察晶界，根據(jù)這些觀察結(jié)果，該團(tuán)隊(duì)確定了10個(gè)更能抵抗裂縫的晶界結(jié)構(gòu)。

    Hanson說(shuō)：“我們不僅能夠展示哪種晶界更強(qiáng)，而且能夠更好地展示它們對(duì)提高性能的影響。”這些最終可以讓工程師通過(guò)設(shè)計(jì)得到具有這些特性的金屬，使得已得到的金屬?gòu)?qiáng)度提高。

    在近期，Argonne工具可用于對(duì)現(xiàn)有金屬部件的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，以更好地預(yù)測(cè)該金屬對(duì)失效的敏感性。Kenesei指出，這些工具已經(jīng)以這種方式研究其他工程材料，例如與飛機(jī)、電池和核反應(yīng)堆有關(guān)的工程材料。

    極端挑戰(zhàn)

    這項(xiàng)研究花了八年時(shí)間才完成，主要是因?yàn)樗婕按罅侩y以分析的數(shù)據(jù)。這項(xiàng)工作的原始數(shù)據(jù)將裝進(jìn)近400張DVD中。此外，該數(shù)據(jù)看起來(lái)不像材料的3D模型。

    來(lái)自卡內(nèi)基梅隆大學(xué)（CMU）的Robert M. Suter（分析專家）說(shuō)：“它以條紋和點(diǎn)或衍射圖案的形式高度加密，必須由超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。”

    為了正確對(duì)待挑戰(zhàn)，Demkowicz指出，裂縫微觀結(jié)構(gòu)實(shí)際上比DNA結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多，Watson和Crick通過(guò)一般過(guò)程確定了DNA結(jié)構(gòu)，但該工作是手工完成的。

    這項(xiàng)工作得到了BP-MIT材料與腐蝕中心，國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和美國(guó)能源部的支持。

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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