Quando si tratta dell'integrità delle leghe strutturali, un po' di corrosione a volte può essere una buona cosa.

I ricercatori di Cornell hanno utilizzato la modellazione atomica avanzata per esplorare i modi in cui l'ambiente può influenzare la crescita di crepe in leghe come alluminio e acciaio, conoscenze che potrebbero aiutare gli ingegneri a prevedere meglio, ed eventualmente rimandare, il cedimento delle strutture. E rimuovendo gli atomi dalla punta di una crepa, la modellazione ha mostrato che i ricercatori potrebbero impedire la propagazione di una crepa, essenzialmente migliorando le prestazioni meccaniche del materiale.

La carta della squadra, "Dissoluzione a una punta duttile di fessura, " pubblicato il 1 ottobre in Lettere di revisione fisica . L'autore principale è Wenjia Gu, dottorato di ricerca '20.

"Le persone hanno modellato la crescita e la frattura delle crepe per molto tempo, ma l'effettivo processo attraverso il quale si verifica non è stato veramente chiaro, almeno per le leghe strutturali in ambienti complicati, " ha detto Derek Warner, professore associato di ingegneria civile e ambientale e autore senior del documento. "Può essere un fenomeno su larga scala - le grandi strutture possono fratturarsi - ma può essere controllato su scala atomica, in particolare quando si considerano gli effetti ambientali".

Un ambiente ha molti meccanismi diversi attraverso i quali ha un impatto negativo su un materiale, tra questi lo scioglimento, formazione di ossido, rideposizione del materiale e infragilimento da idrogeno. Warner e il suo team nel Cornell Fracture Group hanno scelto di concentrarsi sulla dissoluzione, che può essere trovato ovunque, dalle superfici metalliche corrose all'osso umano eroso.

Il team ha creato una serie di modelli atomici 2D di una lega strutturale, simile all'alluminio e all'acciaio, che era duttile, cioè abbastanza flessibile da non rompersi se deformato, come fa il vetro.

Eseguendo numerose simulazioni che hanno sollecitato il materiale con una serie di cicli di carico, i ricercatori sono stati in grado di vedere i diversi modi in cui gli atomi hanno interagito. I ricercatori hanno quindi iniziato a rimuovere gli atomi legati in modo lasco dalla superficie, uno alla volta, e monitorato il comportamento del crack.

Hanno scoperto che la rimozione del materiale superficiale ha inibito la crescita della crepa.

"La propensione di una crepa a crescere dipende da quanto è affilata, "Ha detto Warner. "Se hai una grande tacca rotonda, è improbabile che si propaghi come una crepa. Ma se hai qualche caratteristica nitida, come una fessura tagliata con un coltello, è più probabile che cresca. Quindi in questo modo, rimozione di materiale, simile a ciò che avviene durante la corrosione, può effettivamente migliorare le prestazioni meccaniche."

C'è un corollario a questo tipo di distruzione-come-miglioramento nella biologia umana, ha notato Warner. osteoclasti, un tipo di cellula ossea, sciogliere il tessuto osseo come un modo per promuovere la crescita ossea e resistere alla frattura.

Questo approccio potrebbe avere molte applicazioni pratiche, semplicemente lasciando che la natura faccia il suo corso.

"Ci sono alcune situazioni in cui avresti una struttura ingegnerizzata, una lega strutturale, e potresti dire bene, potrebbe effettivamente essere utile lasciarlo corrodere un po' perché può smussare le crepe che ci sono già, "Ha detto Warner.

La ricerca è di particolare interesse per l'Ufficio Ricerche Navali, che ha finanziato lo studio, e i suoi sforzi per mantenere gli aerei costosi in condizioni di lavoro sicure in mezzo all'ambiente oceanico estremo.

"Quando un aereo atterra su una portaerei, questo è entro il 30% di quello che chiameresti un atterraggio di fortuna ogni volta che atterra. Stai operando in questi margini ristretti. Poi lasci che la cosa si sieda sul ponte della portaerei al sole, essere frustato con acqua salata e corrosione, "Ha detto Warner. "Sai cosa succede se lasci la bici fuori, Giusto? Con una modellazione migliore, possono valutare meglio se è sicuro volare, e quante volte dobbiamo eseguire la manutenzione per cercare problemi."