När det gäller integriteten hos strukturella legeringar, lite korrosion kan ibland vara bra.

Cornell-forskare använde avancerad atommodellering för att utforska hur miljön kan påverka tillväxten av sprickor i legeringar som aluminium och stål – kunskap som kan hjälpa ingenjörer att bättre förutsäga, och eventuellt skjuta upp, strukturfel. Och genom att ta bort atomer från spetsen av en spricka, modelleringen visade att forskarna kunde förhindra en spricka från att fortplanta sig, väsentligt förbättra materialets mekaniska prestanda.

Lagets tidning, "Upplösning vid en duktil sprickspets, " publicerad 1 oktober in Fysiska granskningsbrev . Huvudförfattare är Wenjia Gu, Ph.D. '20.

"Människor har modellerat spricktillväxt och frakturer under lång tid, men den faktiska processen genom vilken den sker har inte riktigt varit tydlig, åtminstone för konstruktionslegeringar i komplicerade miljöer, "sade Derek Warner, docent i anläggnings- och miljöteknik och tidningens seniorförfattare. "Det kan vara ett mycket storskaligt fenomen - stora strukturer kan spricka - men det kan kontrolleras på atomär skala, speciellt när man tittar på miljöeffekter."

En miljö har många olika mekanismer genom vilka den påverkar ett material negativt, bland dem upplösning, oxidbildning, materialavlagring och väteförsprödning. Warner och hans team i Cornell Fracture Group valde att fokusera på upplösning, som kan hittas överallt från korroderade metallytor till eroderat människoben.

Teamet skapade en serie atomära 2D-modeller av en strukturell legering, liknande aluminium och stål, som var formbar – dvs. böjlig nog att den som inte splittras när den deformeras, som glas gör.

Genom att köra många simuleringar som belastade materialet med en rad lastcykler, forskarna kunde se de olika sätten atomerna interagerade på. Forskarna började sedan ta bort löst bundna atomer från ytan, en i taget, och övervakade sprickans beteende.

De fann att borttagning av ytmaterial hämmade sprickan från att växa.

"Böjligheten hos en spricka att växa beror på hur skarp den är, "Sa Warner." Om du har ett stort runt hack, det är osannolikt att det fortplantar sig som en spricka. Men om du har några skarpa egenskaper, som en slits skuren med en kniv, det är mer sannolikt att det växer. Så på detta sätt, borttagning av material, liknande det som sker under korrosion, kan faktiskt förbättra den mekaniska prestandan. "

Det finns en följd av denna typ av förstörelse som förbättring i mänsklig biologi, Warner noterade. Osteoklaster, en typ av bencell, lösa upp benvävnad som ett sätt att främja bentillväxt och motstå frakturering.

Detta tillvägagångssätt kan ha många praktiska tillämpningar, bara genom att låta naturen ta sin gång.

"Det finns vissa situationer där du skulle ha en konstruerad struktur, en konstruktionslegering, och man kan väl säga, det kan faktiskt vara fördelaktigt att låta det korrodera lite eftersom det kan trubba sprickorna som redan finns där, " sa Warner.

Forskningen är av särskilt intresse för Office of Naval Research, som finansierade studien, och dess ansträngningar att hålla dyra flygplan i säkert arbetstillstånd mitt i den extrema havsmiljön.

"När ett flygplan landar på en bärare, det är inom 30 % av vad du skulle kalla en kraschlandning varje gång den landar. Du opererar i dessa snäva marginaler. Sedan låter du saken sitta på hangarfartygets däck i solen, bli vispad med saltvatten och korrosion, " sa Warner. "Du vet vad som händer om du lämnar din cykel utanför, höger? Med bättre modellering, de kan göra en bättre bedömning av om det är säkert att flyga, och hur ofta behöver vi göra underhåll för att leta efter problem."