突破！德州A&M大学可预测金属氢脆，为预防材料失效提供新方法

先进的成像预测金属断裂。在这项研究中，氢气脆化的镍合金裂缝在沿晶界传播时被“红手”捕获。

图片来源：得克萨斯A＆M大学

为防止从桥梁到牙科植入物等所有材料的破坏，一个团队已经拍摄了第一张材料微观裂缝的3D图像，该裂缝通过氢损坏的金属进行扩展。

德克萨斯A＆M大学材料科学与工程系副教授Michael J. Demkowicz博士说：“这是我们第一次能够阻止裂缝扩展。”

以前分析这种金属失效的唯一方法是查看完全断裂部件的分离部分，这需要进行一定程度的猜测。新的研究能够清晰的显示，当裂缝部分开始破裂时裂缝尖端发生了什么。

Demkowicz说：“这比事后诸葛亮要好得多。”

因此，该团队确定了10种微观结构，这些结构使金属强度更高，更不容易受到极端环境因素影响，即我们周围的氢气可能会对该结构造成损害。

他们的论文发表在《Nature Communications》上。该试验是在阿贡国家实验室的高级光子源（APS）上使用两个强大的工具进行的，并且其中一个工具的代表了一个里程碑，即这是阿贡国家实验和卡内基梅隆大学（CMU）开发团队之外的研究人员进行的第一个实验。

一个常见问题

围绕着我们设计的许多结构和装置的金属，但它们可能受到我们周围无处不在的氢气（主要来自水）的负面影响。

Oklo的反应堆工程师，该论文的第一作者John P. Hanson说：“氢进入金属导致金属破裂（其破裂过程称为氢脆）。”

一个突出的例子，例如旧金山的海湾大桥，这座桥于2013年建成，工程师发现96个巨大的螺栓中有32个已经破裂（由于氢脆），这个问题提前就被发现了，所以没有发生灾难，因此该桥推迟了几年开放使用。

科学家研究氢脆已有150多年，但对金属发生该现象仍难以预测。

Hanson（他在从麻省理工学院获得博士学位的同时完成了这项研究工作。）说：“这主要是因为我们没有完全理解它（氢脆）背后的机制。”

Argonne的Peter Kenesei是该项目的合作者，他负责操作工作中使用的仪器，他指出：“因为氢脆现象的不确定性，工程师必须使用额外的材料进行保护设计，以应对任何突发故障，导致成本很高，因此更好地了解这种行为可能会产生巨大的经济影响。”

进展

Demkowicz说：“当您拥有新工具时，可以在旧问题上取得进展。”研究人员采用两种不同的同步加速器工具（高能衍射显微镜和X射线吸收断层扫描）来分析镍合金中裂纹的微观结构。该研究项目代表了第一次未参与其开发的研究人员使用最新的显微镜观察技术，并且研究人员在世界上独创地运用了实验工具和分析软件。

金属由微观晶体或晶粒组成，在镍高温合金中，氢脆导致的裂缝沿着这些晶粒之间的边界传播。Hanson表示，APS光束线1-ID上的独特工具不仅可以首次观察正在进行的裂缝周围的晶粒取向，甚至还可以观察晶界，根据这些观察结果，该团队确定了10个更能抵抗裂缝的晶界结构。

Hanson说：“我们不仅能够展示哪种晶界更强，而且能够更好地展示它们对提高性能的影响。”这些最终可以让工程师通过设计得到具有这些特性的金属，使得已得到的金属强度提高。

在近期，Argonne工具可用于对现有金属部件的微观结构进行成像，以更好地预测该金属对失效的敏感性。Kenesei指出，这些工具已经以这种方式研究其他工程材料，例如与飞机、电池和核反应堆有关的工程材料。

极端挑战

这项研究花了八年时间才完成，主要是因为它涉及大量难以分析的数据。这项工作的原始数据将装进近400张DVD中。此外，该数据看起来不像材料的3D模型。

来自卡内基梅隆大学（CMU）的Robert M. Suter（分析专家）说：“它以条纹和点或衍射图案的形式高度加密，必须由超级计算机进行分析。”

为了正确对待挑战，Demkowicz指出，裂缝微观结构实际上比DNA结构复杂得多，Watson和Crick通过一般过程确定了DNA结构，但该工作是手工完成的。

这项工作得到了BP-MIT材料与腐蚀中心，国家科学基金会和美国能源部的支持。