先進的成像預測金屬斷裂。在這項研究中，氫氣脆化的鎳合金裂縫在沿晶界傳播時被“紅手”捕獲。

圖片來源：得克薩斯A＆M大學

    為防止從橋梁到牙科植入物等所有材料的破壞，一個團隊已經拍攝了第一張材料微觀裂縫的3D圖像，該裂縫通過氫損壞的金屬進行擴展。

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

    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，這需要進行一定程度的猜測。新的研究能夠清晰的顯示，當裂縫部分開始破裂時裂縫尖端發生了什么。

    Demkowicz說：“這比事后諸葛亮要好得多。”

    因此，該團隊確定了10種微觀結構，這些結構使金屬強度更高，更不容易受到極端環境因素影響，即我們周圍的氫氣可能會對該結構造成損害。

    他們的論文發表在《Nature Communications》上。該試驗是在阿貢國家實驗室的高級光子源（APS）上使用兩個強大的工具進行的，并且其中一個工具的代表了一個里程碑，即這是阿貢國家實驗和卡內基梅隆大學（CMU）開發團隊之外的研究人員進行的第一個實驗。

    一個常見問題

    圍繞著我們設計的許多結構和裝置的金屬，但它們可能受到我們周圍無處不在的氫氣（主要來自水）的負面影響。

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

    一個突出的例子，例如舊金山的海灣大橋，這座橋于2013年建成，工程師發現96個巨大的螺栓中有32個已經破裂（由于氫脆），這個問題提前就被發現了，所以沒有發生災難，因此該橋推遲了幾年開放使用。

    科學家研究氫脆已有150多年，但對金屬發生該現象仍難以預測。

    Hanson（他在從麻省理工學院獲得博士學位的同時完成了這項研究工作。）說：“這主要是因為我們沒有完全理解它（氫脆）背后的機制。”

    Argonne的Peter Kenesei是該項目的合作者，他負責操作工作中使用的儀器，他指出：“因為氫脆現象的不確定性，工程師必須使用額外的材料進行保護設計，以應對任何突發故障，導致成本很高，因此更好地了解這種行為可能會產生巨大的經濟影響。”

    進展

    Demkowicz說：“當您擁有新工具時，可以在舊問題上取得進展。”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）來分析鎳合金中裂紋的微觀結構。該研究項目代表了第一次未參與其開發的研究人員使用最新的顯微鏡觀察技術，并且研究人員在世界上獨創地運用了實驗工具和分析軟件。

    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上的獨特工具不僅可以首次觀察正在進行的裂縫周圍的晶粒取向，甚至還可以觀察晶界，根據這些觀察結果，該團隊確定了10個更能抵抗裂縫的晶界結構。

    Hanson說：“我們不僅能夠展示哪種晶界更強，而且能夠更好地展示它們對提高性能的影響。”這些最終可以讓工程師通過設計得到具有這些特性的金屬，使得已得到的金屬強度提高。

    在近期，Argonne工具可用于對現有金屬部件的微觀結構進行成像，以更好地預測該金屬對失效的敏感性。Kenesei指出，這些工具已經以這種方式研究其他工程材料，例如與飛機、電池和核反應堆有關的工程材料。

    極端挑戰

    這項研究花了八年時間才完成，主要是因為它涉及大量難以分析的數據。這項工作的原始數據將裝進近400張DVD中。此外，該數據看起來不像材料的3D模型。

    來自卡內基梅隆大學（CMU）的Robert M. Suter（分析專家）說：“它以條紋和點或衍射圖案的形式高度加密，必須由超級計算機進行分析。”

    為了正確對待挑戰，Demkowicz指出，裂縫微觀結構實際上比DNA結構復雜得多，Watson和Crick通過一般過程確定了DNA結構，但該工作是手工完成的。

    這項工作得到了BP-MIT材料與腐蝕中心，國家科學基金會和美國能源部的支持。

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責任編輯：殷鵬飛

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