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晶体边界可以增强或减少氢脆

2018-05-16
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MIT最近发表的一篇研究报告详细介绍了某些晶体边界如何增强或减少导致金属脆化的破坏性影响。 /

当金属管在海洋表面数千英尺的地方形成油井时,该金属最好是坚固可靠的。不幸的是,这种深井中的环境往往含有丰富的氢气,这种气体可以渗入高科技合金并使其变脆,从而更容易发生裂缝和泄漏。

现在,麻省理工学院的研究人员已经确定了在氢气存在下,金属结构的哪些特性会促使这种脆化。更重要的是,他们还确定,处理过程中的简单改变可以修改结构,从而大大降低损坏几率,延长此类管材的安全使用寿命。

他们的研究结果本周在“自然通讯”杂志上发表,由MIT教员Michael Dkowicz和SilvijaGradečak,博士后Matteo Seita和博士生John Hanson共同撰写。

“我们希望在金属中设计可靠性,”麻省理工学院材料科学与工程副教授Dkowicz说。这项研究得到了英国石油公司的支持,英国石油公司在墨西哥湾的一个井对2010年深水地平线漏油事件负责。 (金属失败并没有牵连在那个特定的漏油事件中。)

抵制失败

Dkowicz说他和他的团队探索的问题是:你如何制造在恶劣环境下固有抗失效材料?

在深井中,环境通常是高度酸性的。 “这意味着环境中含有大量氢气,”Dkowicz说道 - 已知这种情况会迅速增加用于深井衬里的镍超合金的脆性。

“人们已经实现了100年,金属在暴露于氢气时变脆,”Dkowicz说。 “事实上,今天盯住我们的大多数材料问题都是我们长期以来所知道的问题:腐蚀,疲劳,许多不同类型的故障。但是我们在预测它们方面仍然非常糟糕。“

对于关键部件,如油井套管和反应堆冷却剂管线,通常意味着金属部件要尽早更换,以防止最坏情况下的失效分析。更好的预测,或更多的耐材料,可以使组件保持更长的时间,从而节省大量成本。麻省理工学院的研究人员表示,他们的工作可能允许更低频率地更换广泛用于石油钻探的镍合金。

研究微观结构

“我们研究的新颖之处在于我们用于观察材料微观结构的策略,微观结构在引起脆化方面的作用是什么,”该论文的两位主要作者之一Seita说。通过这一分析,他和他的合着者发现晶界 - 个别微观晶体之间的界限 - 是裂纹倾向于在金属中开始的地方。但是,他们发现,这些边界的某些安排使得小裂缝能够变大的可能性要小得多。

研究人员发现,晶界的种类和它们的物理安排在确定给定的金属片如何易受脆化和破坏方面起着重要作用。 Seita说,通过在类似于使用时会遇到的情况下对材料进行测试,这些发现成为可能。

汉森说,以前的调查研究了晶界的作用,但仅限于它们在材料中的总体分布。 “我们必须考虑单个晶界,”他说,“关注单个裂纹和单个晶界。”

Seita说,一般的想法是某些特殊的晶界本质上可以抵抗断裂。 “人们认为引入更多这些会导致更多的阻力,”他解释说,“但这个故事比这更复杂。”

研究人员发现,称为相干孪生边界(CTB)的一种特殊类型的边界在骨折中起着双重作用。 CTB不太可能通过金属传播预先存在的裂缝,但它们也是导致首先形成初始裂纹的主要特征。

这是一项“有趣的工作”,英国国家物理实验室的高级研究员艾伦特恩布尔说,他没有参与这项研究。他说团队表明,在形成裂缝时,CTB“鼓励开始,但抵制传播”。

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。

出版物:氢脆中相干孪晶边界的双重作用,“自然通讯6,文章编号:6164; DOI:10.1038 / ncomms7164

资料来源:麻省理工新闻David L. Chandler

图片:John Hanson和Matteo Seita