Nature: Трещины в металлах могут "залечиваться" самостоятельно

Микроскопическая трещина выросла в очень маленьком кусочке платины, когда его многократно растянули. Эксперимент, предназначенный для изучения роста усталостной трещины, продолжался в соответствии с прогнозом некоторое время, после чего произошло нечто неожиданное.

Трещина перестала расти, а наоборот, стала становиться короче, фактически «залечивая» себя.

Группа исследователей из Сандийской национальной лаборатории сделала это удивительное наблюдение, проводя эксперименты по разрушению нанокристаллических металлов. Результаты исследования были недавно опубликованы в журнале Nature.

До этого открытия можно было бы считать, что самовосстанавливающиеся металлы — это что-то из области научной фантастики. Доктор Майкл Демкович (Michael Demkowicz), профессор кафедры материаловедения и инженерии Техасского университета A&M и соавтор недавнего исследования, не придерживался подобных предположений.

Прошлое помогает настоящему

Десять лет назад, будучи доцентом кафедры материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института, Демкович и его студент предсказали самовосстановление металлов.

Мы не ставили перед собой задачу найти исцеление. Мой студент, Гуосян Сюй, занимался моделированием разрушения, — говорит Демкович.

Мы случайно наблюдали спонтанное заживление в одной из его симуляций и решили проследить за этим.

Тогда, как и сейчас, результаты, полученные в 2013 году, оказались неожиданными. Демкович добавил, что он сам, его студент и его коллеги с некоторым скептицизмом относились к первоначальной теории. Однако в последующие годы его имитационные модели были многократно воспроизведены и расширены другими исследователями.

Стало ясно, что моделирование не было ошибочным, поскольку другие исследователи наблюдали тот же эффект в своих работах по моделированию, — сказал Демкович.

Однако эксперименты до сих пор были недоступны.

И в моделях 2013 года, и в недавнем эксперименте использовались нанокристаллические металлы, имеющие кристаллическую структуру, или размер зерна, измеряемый в наномасштабе (одна миллионная часть миллиметра). По словам Демковича, большинство металлов, хотя и не находят широкого применения в технике, могут быть получены в такой форме.

Он также пояснил, что нанокристаллические металлы облегчают изучение самовосстановления, поскольку малый размер зерна позволяет получить больше микроструктурных особенностей, с которыми могут взаимодействовать даже небольшие трещины.

В обоих исследованиях было обнаружено, что одна из таких особенностей — границы зерен — может влиять на заживление трещин в зависимости от направления миграции границ относительно трещины. Демкович добавил, что эти особенности характерны для многих металлов и сплавов и ими можно манипулировать.

Что ждет нас в будущем

Основное значение текущей работы состоит в том, чтобы перенести первоначальное теоретическое предсказание «с чертежной доски» и показать, что оно имеет место в реальности, — сказал Демкович.

Мы еще не начали оптимизировать микроструктуры для самовосстановления. Выяснение наилучших изменений, способствующих самовосстановлению, является сложной задачей для будущей работы.

Потенциальные области применения этой работы могут быть самыми разными. Демкович предполагает, что самовосстановление возможно и в обычных металлах с большим размером зерна, но для этого необходимы дальнейшие исследования.

Одним из условий, характерных как для теории 2013 года, так и для недавнего эксперимента, является то, что оба исследования проводились в вакуумной среде, лишенной посторонних примесей. Такие посторонние вещества могут помешать способности поверхностей трещин к склеиванию (или холодной сварке). Но даже при таком ограничении возможно применение для космической техники или внутренних трещин, не подвергающихся воздействию внешнего воздуха.

Теория Демковича, разрабатывавшаяся в течение десяти лет, принесла свои плоды в эксперименте Национальной лаборатории Сандия. В рамках текущего исследования Демкович смог убедиться в том, что недавно наблюдаемое явление соответствует его первоначальным имитационным моделям.

Это удивительный эксперимент. Однако я думаю, что это также большая победа для теории, — заключает Демкович.

Сложность материалов часто затрудняет уверенное предсказание новых явлений. Это открытие дает мне надежду на то, что наши теоретические модели поведения материалов находятся на правильном пути.

26.08.2023