Als het gaat om de integriteit van structurele legeringen, een beetje corrosie kan soms een goede zaak zijn.

Cornell-onderzoekers gebruikten geavanceerde atomaire modellering om te onderzoeken hoe de omgeving de groei van scheuren in legeringen zoals aluminium en staal kan beïnvloeden - kennis die ingenieurs zou kunnen helpen beter te voorspellen, en eventueel uitstellen, het falen van constructies. En door atomen uit de punt van een scheur te verwijderen, de modellering toonde aan dat de onderzoekers konden voorkomen dat een scheur zich verspreidde, in wezen de mechanische prestaties van het materiaal verbeteren.

De krant van het team, "Oplossing bij een nodulair scheurpunt, " gepubliceerd op 1 oktober in Fysieke beoordelingsbrieven . De hoofdauteur is Wenjia Gu, doctoraat '20.

"Mensen modelleren al heel lang scheurgroei en breuk, maar het eigenlijke proces waardoor het gebeurt is niet echt duidelijk geweest, tenminste voor structurele legeringen in gecompliceerde omgevingen, " zei Derek Warner, universitair hoofddocent civiele en milieutechniek en senior auteur van de paper. "Het kan een fenomeen op zeer grote schaal zijn - grote structuren kunnen breken - maar het kan op atomaire schaal worden gecontroleerd, zeker als je kijkt naar de milieueffecten."

Een omgeving heeft veel verschillende mechanismen waarmee het een materiaal nadelig beïnvloedt, waaronder ontbinding, oxide vorming, materiaalherafzetting en waterstofbrosheid. Warner en zijn team in de Cornell Fracture Group kozen ervoor om zich te concentreren op ontbinding, die overal te vinden is, van gecorrodeerde metalen oppervlakken tot geërodeerd menselijk bot.

Het team creëerde een reeks atomaire 2D-modellen van een structurele legering, vergelijkbaar met aluminium en staal, dat was ductiel, d.w.z. buigzaam genoeg dat het niet zou versplinteren als het vervormd was, zoals glas doet.

Door talloze simulaties uit te voeren die het materiaal met een reeks laadcycli belasten, de onderzoekers konden de verschillende manieren zien waarop de atomen met elkaar in wisselwerking stonden. De onderzoekers begonnen toen losjes gebonden atomen van het oppervlak te verwijderen, een per keer, en volgde het gedrag van de scheur.

Ze ontdekten dat het verwijderen van oppervlaktemateriaal de groei van de scheur verhinderde.

"De neiging van een scheur om te groeien hangt af van hoe scherp het is, "Zei Warner. "Als je een grote ronde inkeping hebt, het is onwaarschijnlijk dat het zich als een scheur voortplant. Maar als je een scherp kenmerk hebt, als een spleet met een mes, het is waarschijnlijker dat het groeit. Dus op deze manier, materiaal verwijderen, vergelijkbaar met wat er gebeurt tijdens corrosie, kan de mechanische prestaties zelfs verbeteren."

Er is een uitvloeisel van dit soort vernietiging-als-verbetering in de menselijke biologie, merkte Warner op. osteoclasten, een soort botcel, botweefsel op te lossen als een manier om botgroei te bevorderen en breuk te weerstaan.

Deze aanpak kan tal van praktische toepassingen hebben, gewoon door de natuur zijn gang te laten gaan.

"Er zijn situaties waarin je een geconstrueerde structuur zou hebben, een structurele legering, en je zou goed kunnen zeggen, het kan zelfs nuttig zijn om het een beetje te laten corroderen omdat het de scheuren die er al zijn, kan afvlakken, ' zei Warner.

Het onderzoek is van bijzonder belang voor het Office of Naval Research, die de studie financierde, en zijn inspanningen om dure vliegtuigen in veilige staat te houden te midden van de extreme oceaanomgeving.

"Als een vliegtuig op een vliegdekschip landt, dat is minder dan 30% van wat je een noodlanding zou noemen elke keer dat het landt. U opereert in deze krappe marges. Dan laat je het ding op het dek van het vliegdekschip in de zon zitten, opgeklopt worden met zout water en corrosie, ' zei Warner. 'Je weet wat er gebeurt als je je fiets buiten laat staan, Rechtsaf? Met een betere modellering, ze kunnen beter inschatten of het veilig is om te vliegen, en hoe vaak moeten we onderhoud plegen om problemen op te sporen."