新发现：金属在拉伸过程中会自动修复裂痕

Daphane

來源:大纪元


桑迪亚国家实验室发现的金属纳米级自我修复的模拟图示，绿色标记裂纹形成和融合，红色箭头表示拉力方向。（Dan Thompson/Sandia National Laboratories）


【大纪元2023年08月03日讯】（大纪元专题部记者吴瑞昌编译报导）如果有人问你，“金属断裂后能自动修复吗？”答案想必是否定的，因为必须通过某种外力手段才能修复断裂的金属，这是常识。然而，美国的科学家却在实验中发现，金属具有自行修复的功能。
美国桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）和美国德克萨斯农工大学（Texas A&M University）在一项实验中发现，当对金属进行反复拉伸时，由此所产生的裂纹会自动愈合。这意味着，金属的断裂可能是可逆的。这一发现刊登在今年7月的《自然》杂志上。
金属自愈的概念，大多还停留在科幻小说和影视作品中。目前世上大多数的金属自愈，依然需要外在热源和潜在可激活成分，来修复损伤。即使微观结构特征在不加热到环境温度以上的情况下也可以修复损伤，但金属中结晶问题也可能影响金属结构。
实验中，来自田纳西大学诺克斯维尔分校的副教授哈立德·哈塔尔（Khalid Hattar），和来自能源部核能办公室的克里斯·巴尔（Chris Barr）对40纳米（nm）厚度的白金片两端做每秒200次的拉伸，并用穿透式电子显微镜（TEM）观察金属中的裂纹是如何形成和扩散的。
实验进行约40分钟后，他们惊讶地发现裂纹的一端，像是原路返回一样重新融合在一起，宛如金属通过“冷焊”一般将损坏的地方进行了逆转愈合，似乎没有留下先前受伤的痕迹。虽然随着时间的推移裂纹会沿着不同的方向重新生长，但先前的裂纹却已经愈合。
他们发现在震动过程中，金属的微观结构发生了显着的演变。因为金属的结晶在震动中偏移了1-2 nm，而这些结晶迁移和裂纹愈合发生在室温下。
另外，当保持拉伸状态时，材料还会继续发生愈合反应，而这过程并未施加任何促进金属出现“焊接现象”的东西。
该团队为了探索这种裂纹愈合的潜在机制，他们在原子模型复制实验中观察到的裂纹尖端附近的晶粒结构，出现边界迁移、裂纹侧面愈合和扩张现象。
实验结果显示，他们在三次白金金属拉伸裂纹扩展实验中，成功观察到两次金属愈合情况，且有裂纹迁移现象。另外，这种愈合的现象，并非白金独有的，因为他们在原子模拟中发现其它金属也有裂纹愈合能力。
桑迪亚国家实验室材料博士布拉德·博伊斯（Brad Boyce）对桑迪亚国家实验室的新闻社表示，“团队们亲眼目睹金属自行破碎后愈合的惊人现象，而我们也已经证实，金属是具有其固有的、自然的自我修复能力，至少在纳米级疲劳损伤的情况下是这样。”
博伊斯还表示，他们已经证明这些金属裂纹愈合是普遍存在，未来可能会成为广泛研究的主题。尽管存在诸多未知因素，但这项新发现仍为材料科学提供一次飞跃的机会。