I arbete som kan hjälpa till att förhindra fel på allt från broar till tandimplantat, ett team ledd av en forskare vid Texas A&M University har tagit den första 3D-bilden av en mikroskopisk spricka som fortplantar sig genom en metall skadad av väte.

"För första gången kunde vi fånga sprickan på bar gärning, " sa Dr Michael J. Demkowicz, docent vid institutionen för materialvetenskap och teknik vid Texas A&M.

Tidigare, det enda sättet att analysera ett sådant metallfel var att titta på de separerade delarna av en helt sprucken komponent, vilket medför ett visst mått av gissningar. Den nya forskningen visar vad som händer vid sprickspetsen när en del börjar spricka.

"Det är mycket bättre än att komma till brottsplatsen i efterhand, sa Demkowicz.

Som ett resultat, teamet identifierade 10 mikroskopiska strukturer som gör metaller starkare och mindre mottagliga för en viktig miljöfaktor – vätet omkring oss – som kan skada dem.

Deras arbete publiceras i Naturkommunikation . Det genomfördes med två kraftfulla verktyg vid Argonne National Laboratory's Advanced Photon Source (APS), och representerar en milstolpe för ett av dessa verktyg som det första experimentet utfört av forskare utanför utvecklingsteamet vid Argonne och Carnegie Mellon University (CMU).

Ett vanligt problem

Metaller omger oss i valfritt antal strukturer och enheter, men de kan påverkas negativt av det allestädes närvarande vätet omkring oss, mestadels från vatten.

"Väte kommer in i metallen och gör att den oväntat spricker i en process som kallas väteförsprödning, sade John P. Hanson, en reaktoringenjör vid Oklo och första författare till tidningen.

Ett framträdande exempel är Bay Bridge i San Francisco. När bron byggdes 2013, ingenjörer upptäckte att 32 av de 96 enorma bultarna till strukturen hade spruckit på grund av väteförsprödning. Problemet upptäcktes tidigt så det var ingen katastrof, men det försenade öppnandet av bron med några år.

Forskare har studerat väteförsprödning i över 150 år, men det är fortfarande svårt att förutse.

"Det beror till stor del på att vi inte har en fullständig förståelse för mekanismerna bakom det, sa Hanson, som utförde arbetet samtidigt som han tog sin doktorsexamen från Massachusetts Institute of Technology (MIT).

"Som ett resultat, ingenjörer måste överdesigna med ytterligare material för att täcka plötsliga fel och det kostar mycket, " sa medförfattaren Peter Kenesei från Argonne, vem som använder de instrument som används i arbetet. "Så en bättre förståelse för detta beteende kan ha en enorm ekonomisk inverkan."

Göra framsteg

"Du kan göra framsteg med gamla problem när du har nya verktyg, " sa Demkowicz. Forskarna använde två olika synkrotronverktyg, högenergidiffraktionsmikroskopi och röntgenabsorptionstomografi, att analysera den mikroskopiska strukturen av en spricka i en superlegering av nickel. Studien representerar första gången mikroskopitekniken användes av forskare som inte var involverade i dess utveckling. Det kombinerade experimentella verktyget och analysmjukvaran är unik i världen.

En metall består av mikroskopiska kristaller, eller spannmål. I nickel superlegeringar, sprickorna orsakade av väteförsprödning färdas längs gränserna mellan dessa korn. Hanson sa att de unika verktygen vid APS beamline 1-ID tillåter för första gången att inte bara titta på kornorienteringarna runt en pågående spricka, men också korngränserna. Från dessa observationer, teamet identifierade 10 korngränser som är mer motståndskraftiga mot sprickor.

"Vi kunde inte bara visa vilka korngränser som är starkare, men exakt vad det är med dem som förbättrar deras prestanda, ", sa Hanson. Detta kan i slutändan tillåta ingenjörer att bygga starkare metaller genom att designa dem med dessa egenskaper.

På närmare sikt, Argonne-verktygen skulle kunna användas för att avbilda mikrostrukturen hos befintliga metallkomponenter för att bättre förutsäga deras känslighet för fel. Kenesei noterar att verktygen redan används på detta sätt för att studera andra tekniska material, som de som rör flygplan, batterier och kärnreaktorer.

Extrema utmaningar

Studien tog åtta år att slutföra, främst för att det handlade om enorma mängder data som var svåra att analysera. Rådata för arbetet skulle fylla nästan 400 DVD-skivor. Ytterligare, data ser inte ut som en 3D-modell av materialet.

"Det är mycket krypterat i form av streck och prickar, eller diffraktionsmönster, som måste analyseras av en superdator, " sa Robert M. Suter från Carnegie Mellon University (CMU), en expert på analysen.

För att sätta utmaningarna i perspektiv, Demkowicz noterar att sprickmikrostrukturen faktiskt är mycket mer komplicerad än strukturen hos DNA, som Watson och Crick bestämde genom samma allmänna process, men för hand.