Хімія

Хіміки натренували алюміній та навчили самовідновлюватися

Австралійські вчені змінили мікроструктуру алюмінієвих сплавів, що навчило матеріал уникати втоми та самовідновлюватися після руйнівних навантажень. Вчені використали механічну енергію на початкових етапах втоми й застосували її динаміку для притягування частинок всередині структури, що і рятує матеріал від руйнування. Такий сплав буде у 25 разів більш довговічним, повідомляється у дослідженні, опублікованому в журналі Nature Communications.

Зображення оптичної профілометрії “старого” алюмінію, втомленого однаковими напругами, з різною локалізацією пластичних областей. На знімках b, d, f спостерігається більш рівномірний розподіл зерен, а незворотні зміни шорсткості поверхні сягають лише 20-40 нанометрів у висоту / Nature Communications, 2020.

Зображення оптичної профілометрії “старого” алюмінію, втомленого однаковими напругами, з різною локалізацією пластичних областей. На знімках b, d, f спостерігається більш рівномірний розподіл зерен, а незворотні зміни шорсткості поверхні сягають лише 20-40 нанометрів у висоту / Nature Communications, 2020.

Чому алюміній втомлюється?

Головне застосування алюмінію — виробництво легких сплавів на його основі, які використовують в ракетній техніці, в авіа-, авто-, судно- та приладобудуванні та в багатьох інших галузях промисловості. Головними їхніми перевагами є мала густина, висока міцність, стійкість до атмосферної корозії, порівняно мала вартість та легкість отримання і обробки. Але як і будь-який метал, алюміній піддається так званій втомі. Це ослаблення матеріалу в результаті поступового накопичення ушкоджень під впливом напруження. Процес відбувається через зміну властивостей металу та утворення й подальший розвиток тріщин і мікророзломів, які й зумовлюють руйнування. За словами вчених, 80 відсотків всіх відмов обладнання припадає на втому матеріалу. Австралійські дослідники з університету Монаша запропонували рішення, як можна уникнути втоми: хіміки змінили мікроструктуру алюмінієвих сплавів так, щоб вони могли самостійно зміцнювати свої слабкі місця під час навантажень.

Що пропонують вчені?

За словами керівника дослідження, Крістофера Хатчинсона (Christopher Hutchinson), ця робота є першою, яка описала та вирішила головну причину втоми - “слабкі зони” в структурі матеріалу, де не відбулося осадження преципітату. Ці зони утворюються в алюмінієвих сплавах в результаті змінної напруги. Руйнування починається з крихітних пластичних плям, які продовжують утворювати тріщини. Вчені прагнули втрутитися на ранніх стадіях цього процесу, використовуючи механічну енергію, яка генерується під час змінної напруги. Зокрема, команда створила спосіб захоплення нових частинок, які утворюються під впливом напруги і використовувати їх для посилення слабких місць та уповільнення появи тріщин і переломів.

Замість того, щоб шукати способи зміцнити структуру сплаву і сподіватися, що вона залишиться стабільною якомога довше під час навантажень, вчені попередили і використали майбутні зміни в структурі та побудували сплав таким чином, що під час навантажень він зміниться та зміцнить матеріал. Їхня робота продемонструвала зміни в мікроструктурі алюмінієвих сплавів, які можна ефективно використовувати в умовах динамічного навантаження. Дослідники стверджують, що такі структурні зміни підвищують термін витривалості алюмінієвих сплавів низької міцності в 25 разів.

Як вони змусили метал самовідновлюватися?

Посилення слабких місць і значне уповільнення появи тріщин і переломів досягається “тренувальним” процесом для структури, який імітує навантаження. Це навантаження більше, ніж зазвичай, та повторюється кожні кілька сотень циклів. Воно призводить до більш високої концентрації дрібних частинок в слабких зонах, а отже збільшує межу міцності матеріалу, який потім зможе самовідновлюватися під час роботи. За словами вчених, підхід є загальним і його можна буде застосовувати й до інших дисперсно-твердих сплавів.