SNL與TAMU成功觀察到金屬疲勞自行修復之現象

 

刊登日期:2023/9/20
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美國桑迪亞國家實驗室(SNL)與德州農工大學(TAMU)首次成功觀察到循環載荷下金屬中發生微疲勞裂紋自發閉合、消失的現象。因反復的應力或變形而形成的微疲勞裂紋會隨著時間的推移而持續生成、擴大,最終導致斷裂。而研究團隊發現的裂紋進展逆轉並消失的自行修復現象則推翻了此項金屬科學的既定理論。若相關機制得以解明,將可望控制引擎、橋梁、飛機的疲勞裂紋形成,進而提高其安全性、耐久性及使用壽命。
 
目前已有研究提出疲勞裂紋自行修復的材料,但大多數都與塑膠材料有關。一般認為金屬中的疲勞裂紋會擴大但不會縮小。即使在描述裂紋擴展的基本理論中,自行修復過程的可能性亦已被排除。另一方面,德州農工大學在2013年基於電腦模擬的結果,提出了一項金屬在特定條件下微裂紋亦可重新閉合之新理論,但未經實驗檢證。而桑迪亞國家實驗室在偶然間發現了支持德州農工大學提出理論的實驗結果。
 
研究團隊在白金微疲勞裂紋形成擴大過程的研究中,使用了一項可以在電子顯微鏡下每秒重複拉動實驗片材200次的獨家技術。實驗開始大約40分鐘後,發現其中一個裂紋尖端自發地重新閉合,逆轉了成長進展的過程,裂紋痕跡消失,進而證實了與農工大學發表理論一致的結果。研究團隊推測,疲勞裂紋的再閉合是由奈米級應力狀態與晶界遷移共同引起。
 
雖然目前已知微小疲勞裂紋的自行修復現象發生在真空狀態的奈米結晶中,但尚有許多未知之處,例如不清楚是否會發生於大氣中的普通金屬中。而此次的研究發現對於材料科學最前線是一重大進展。今後研究團隊將進一步展開在疲勞裂紋自行修復現象在現實條件下的一般化研究。

資料來源: https://engineer.fabcross.jp/archeive/230822_metals-can-heal-themselves.html
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