Bij werk dat het falen van alles zou kunnen voorkomen, van bruggen tot tandheelkundige implantaten, een team onder leiding van een onderzoeker aan de Texas A&M University heeft de eerste 3D-afbeelding gemaakt van een microscopisch kleine scheur die zich voortplant door een metaal dat is beschadigd door waterstof.

"Voor het eerst konden we de crack op heterdaad betrappen, " zei Dr. Michael J. Demkowicz, universitair hoofddocent bij de afdeling Materials Science and Engineering van Texas A&M.

Eerder, de enige manier om zo'n metaalstoring te analyseren, was door naar de losse stukken van een volledig gebroken onderdeel te kijken, wat een zekere mate van giswerk met zich meebrengt. Het nieuwe onderzoek laat zien wat er gebeurt aan de scheurtip als een onderdeel begint te breken.

"Het is veel beter dan achteraf op de plaats delict aankomen, ', zei Demkowicz.

Als resultaat, het team identificeerde 10 microscopisch kleine structuren die metalen sterker maken en minder vatbaar maken voor een belangrijke omgevingsfactor - de waterstof om ons heen - die ze kan beschadigen.

Hun werk is gepubliceerd in Natuurcommunicatie . Het werd uitgevoerd met behulp van twee krachtige tools bij Argonne National Laboratory's Advanced Photon Source (APS), en vertegenwoordigt een mijlpaal voor een van die tools als het eerste experiment dat is uitgevoerd door onderzoekers buiten het ontwikkelingsteam van de Argonne en Carnegie Mellon University (CMU).

Een veelvoorkomend probleem

Metalen omringen ons in allerlei structuren en apparaten, maar ze kunnen negatief worden beïnvloed door de alomtegenwoordige waterstof om ons heen, meestal uit water.

"Waterstof komt in het metaal en zorgt ervoor dat het onverwacht breekt in een proces dat waterstofbrosheid wordt genoemd, " zei John P. Hanson, een reactoringenieur bij Oklo en eerste auteur van het papier.

Een prominent voorbeeld is de Bay Bridge in San Francisco. Aangezien de brug in 2013 werd gebouwd, ingenieurs ontdekten dat 32 van de 96 enorme bouten die de sleutel tot de constructie vormden, waren gebarsten als gevolg van waterstofbrosheid. Het probleem werd vroeg ontdekt, dus er was geen ramp, maar het vertraagde de opening van de brug met een paar jaar.

Wetenschappers bestuderen al meer dan 150 jaar waterstofbrosheid, maar het blijft moeilijk te voorspellen.

"Dat komt grotendeels omdat we geen volledig begrip hebben van de mechanismen erachter, " zei Hanson, die het werk uitvoerde terwijl hij promoveerde aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT).

"Als resultaat, ingenieurs moeten overontwerpen met extra materiaal om een ​​plotselinge storing te dekken en dat kost veel, " zei co-auteur Peter Kenesei van Argonne, die de instrumenten bedient die in het werk worden gebruikt. "Dus een beter begrip van dit gedrag zou een enorme economische impact kunnen hebben."

Vooruitgang boeken

"Je kunt vooruitgang boeken op oude problemen als je nieuwe tools hebt, " zei Demkowicz. De onderzoekers gebruikten twee verschillende synchrotron-tools, hoge-energiediffractiemicroscopie en röntgenabsorptietomografie, om de microscopische structuur van een scheur in een superlegering van nikkel te analyseren. De studie is de eerste keer dat de microscopietechniek werd gebruikt door onderzoekers die niet betrokken waren bij de ontwikkeling ervan. De gecombineerde experimentele tool en analysesoftware zijn uniek in de wereld.

Een metaal bestaat uit microscopisch kleine kristallen, of granen. In nikkel superlegeringen, de breuken veroorzaakt door waterstofbrosheid reizen langs de grenzen tussen die korrels. Hanson zei dat de unieke tools van de APS-bundellijn 1-ID het voor het eerst mogelijk maken om niet alleen naar de korreloriëntaties rond een lopende scheur te kijken, maar ook de korrelgrenzen. Uit die waarnemingen het team identificeerde 10 korrelgrenzen die beter bestand zijn tegen scheuren.

"We konden niet alleen laten zien welke korrelgrenzen sterker zijn, maar precies wat het is dat hun prestaties verbetert, "Zei Hanson. Dit zou ingenieurs uiteindelijk in staat kunnen stellen sterkere metalen te bouwen door ze met die kenmerken te ontwerpen.

Op kortere termijn, de Argonne-tools zouden kunnen worden gebruikt om de microstructuur van bestaande metalen componenten in beeld te brengen om hun gevoeligheid voor falen beter te voorspellen. Kenesei merkt op dat de tools al op deze manier worden gebruikt om andere technische materialen te bestuderen, zoals die met betrekking tot vliegtuigen, batterijen en kernreactoren.

Extreme uitdagingen

Het onderzoek nam acht jaar in beslag, vooral omdat het om enorme hoeveelheden gegevens ging die moeilijk te analyseren waren. De ruwe gegevens voor het werk zouden bijna 400 dvd's vullen. Verder, de gegevens lijken in niets op een 3D-model van het materiaal.

"Het is sterk versleuteld in de vorm van strepen en stippen, of diffractiepatronen, die moeten worden geanalyseerd door een supercomputer, " zei Robert M. Suter van de Carnegie Mellon University (CMU), een deskundige op het gebied van analyse.

Om de uitdagingen in perspectief te plaatsen, Demkowicz merkt op dat de microstructuur van de scheur eigenlijk veel gecompliceerder is dan de structuur van DNA, die Watson en Crick via hetzelfde algemene proces hebben vastgesteld, maar met de hand.