Att förstå hur material deformeras och katastrofalt misslyckas när de påverkas av en kraftig chock är avgörande på ett brett spektrum av områden, inklusive astrofysik, materialvetenskap och rymdteknik. Men tills nyligen, tomrummens roll, eller små porer, i en så snabb process kunde inte fastställas, kräver att mätningar görs vid miljondelar av en miljarddels sekund.

Nu har ett internationellt forskarlag använt ultraljusa röntgenstrålar för att göra de första observationerna av hur dessa tomrum utvecklas och bidrar till skador i koppar efter en kraftig stöt. Laget, inklusive forskare från University of Miami, Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory och Argonne National Laboratory, Imperial College London och universiteten i Oxford och York publicerade sina resultat i Vetenskapliga framsteg .

"Oavsett om dessa material finns i en satellit som träffas av en mikrometeorit, en rymdfarkost som kommer in i atmosfären med hypersonisk hastighet eller en jetmotor som exploderar, de måste helt absorbera all den energin utan att katastrofalt misslyckas, " säger huvudförfattaren James Coakley, en biträdande professor i mekanisk och rymdteknik vid University of Miami. "Vi försöker förstå vad som händer i ett material under den här typen av extremt snabba misslyckanden. Det här experimentet är den första omgången av att försöka göra det, genom att titta på hur materialet komprimeras och expanderar under deformation innan det så småningom går sönder. "

schweizisk ost

I experimentet, forskarna chockade ett kopparprov med laserpulser, sedan spridda röntgenstrålar från SLAC:s Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenfri elektronlaser genom materialet för att spåra dess deformation. Från mönstren som de spridda röntgenstrålarna gjorde i två detektorer, de kunde se hur stöten komprimerade och sedan expanderade materialets atomgitter i en detektor samtidigt som de observerade tomrumsutvecklingen i den andra detektorn.

Den initiala klämningen stängde redan existerande tomrum i materialet, säger Coakley. När materialet expanderade igen, "Du får fler och fler av dessa små tomrum som kärnar ur och växer när skadan sprider sig genom materialet, som en skiva schweizisk ost. Vid en viss tidpunkt, de börjar gå ihop tills du till slut har stora porer som orsakar slutgiltigt misslyckande."

Forskarna upptäckte också att materialets styrka, eller förmåga att motstå skador, berodde på hur snabbt den yttre spänningen applicerades och släpptes.

"Ljusstyrkan på röntgenstrålarna och tidsskalorna vi kunde titta på var avgörande för framgången med detta experiment, " säger SLAC:s chef för strategisk planering Despina Milathianaki, som tänkte ut och övervakade LCLS-experimentet. "Denna kombination av faktorer gjorde det möjligt för oss att spåra exakt vad som hände inom provet när det gick sönder på tids- och längdskalor som tidigare bara kunde simuleras, ger insikt i de underliggande defekterna som orsakade materialfel."

Överlever chocken

Detta experiment fokuserade på att demonstrera hur tekniken kan användas för att förstå ultrasnabb materialdeformation. Forskarna planerar att göra framtida experiment på mer avancerade material och under experimentella förhållanden som närmare matchar verkliga applikationer.

"Det var spännande att kunna visualisera och förstå hela materialets livscykel, " säger Milathianaki. "Det är en fantastisk demonstration av vad som kan göras på LCLS för att förstå materialfel mer allmänt. Slutmålet är att till fullo förstå hur material misslyckas så att du kan designa nya material som bättre tål dessa intensiva förhållanden."