Aanwijzingen voor oorzaak waterstofbrosheid onthult

Waterstofbroosheid

Een studie naar de oorzaak van waterstofbrosheid heeft geleid tot nieuwe aanwijzingen. De bevindingen helpen de ontwikkeling van nieuwe verbrossing-bestendige materialen verder vorm te geven.

Waterstof, het lichtste element, kan gemakkelijk metalen ontbinden en binnentrekken om deze anders zo ductiele materialen bros en aanzienlijk meer kwetsbaar voor storingen te maken.

Sinds het fenomeen in 1875 werd ontdekt is waterstofbrosheid een hardnekkig probleem bij het ontwikkelen van constructiematerialen in verschillende industrieën – van slagschepen tot vliegtuigen en kernreactoren. Ondanks tientallen jaren van onderzoek is het deskundigen nog niet gelukt volledig begrip te krijgen van de ten grond geslagen fysica achter het probleem of een robuust model te ontwikkelen dat voorspelt wanneer, waar en hoe waterstofbrosheid zal optreden.

Recentelijk hebben, Jun Song, een Assistant Professor in Materials Engineering aan de McGill University, en Prof. William Curtin, directeur van het Institute of Mechanical Engineering aan de École Polytechnique Federale de Lausanne in Zwitserland, aangetoond dat het antwoord op waterstofbrosheid mogelijk verankerd ligt in hoe waterstof materiaalgedrag op nanoschaal wijzigt. In hun studie, gepubliceerd in Nature Materials, presenteren Song en Curtin een nieuw model dat nauwkeurig het ontstaan ​​van waterstofbrosheid kan voorspellen.

Onder normale omstandigheden kunnen metalen een aanzienlijke plastische vervorming ondergaan wanneer ze aan krachten onderworpen worden. Deze plasticiteit komt voort uit het vermogen van scheurtjes (op nano- en micro-schaal) om “dislocaties” in de metalen te genereren; bewegingen van atomen die dienen om spanning in het materiaal te verlichten.

“Dislocaties kunnen worden beschouwd als ‘vervoerders’ van plastische vervorming, waarbij de nano- en micro-schaal scheurtjes fungeren als hubs waar de vervoerders worden afgelost,” legt Song uit. De gewenste eigenschappen van metalen, zoals ductiliteit en hardheid, berusten op het goed functioneren van de hubs. Helaas trekken hubs ook waterstofatomen aan. De manier waarop waterstofatomen metalen bros maken is door het veroorzaken van een soort van file: ze verdringen rond de hub en blokkeren alle mogelijke routes die de vervoerders het aflossen onmogelijk maakt. Dit kan er uiteindelijk toe leiden dat het materiaal breekt.

Song voerde state-of-the-art computersimulaties uit om te zien hoe waterstof atomen bewegen binnen metalen en hoe ze omgaan met metaalatomen. Deze simulatie werd gevolgd door een strikte kinetische analyse, waarbij de resultaten op nano-schaal werden gekoppeld aan macroscopische proefomstandigheden.

Dit model werd toegepast om verbrossingdrempels te voorspellen binnen een verscheidenheid aan ferritisch ijzer-gebaseerde stalen en resulteerde in uitstekende overeenkomsten met de experimenten. De bevindingen bieden een kader voor de interpretatie van experimenten en het ontwikkelen van de volgende generatie bros-resistente constructiematerialen.

Het onderzoek werd deels gefinancierd door de Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, de US Office of Naval Research en door de General Motors / Brown Collaborative Research Lab on Computational Materials (bron).

Redactie | 26-11-12 | 12:12 | Link




Plaats een reactie