Как корозията може и да подобрява издръжливостта на метала?

Наука Природа

Невероятно, но що се отнася до устойчивостта на сплавите, малко корозия може да бъде и нещо полезно.

© Илюстрация: IStock

Корозията е физико-химичен процес между металите и околната среда, който в крайна сметка води до разрушаване на металите. В резултат на взаимодействието на метала с въздуха (заради газовете, които съдържа) и водата (заради разтворените в нея електролити) върху повърхността на метала се образуват съединения (оксиди, сулфати и др.). В резултат на този окислителен процес, електронеутралните атоми отдават електролити и се превръщат в положително заредени йони.

Но сега изследователите от университета “Корнел” в Итака, Ню Йорк, използват усъвършенствано атомно моделиране, за да изследват начините, по които околната среда влияе на растежа на корозирали пукнатини в сплави като алуминий и стомана. Тези знания биха могли да помогнат на инженерите да прогнозират по-добре разрушаването на металните конструкциите и дори да отлагат това разрушаване във времето.

Атомно моделиране

Като премахват атомите от най-горния слой на пукнатина, изследователите могат да предотвратяват нейното разширяване, което в същото време подобрява механичните характеристики на материала. Това са заключенията в научен доклад, публикуван на 1 октомври във Physical Review Letters.

„Хората моделират растежа на пукнатини от дълго време, но действителният процес, по който се случва, всъщност не е ясен, поне за структурни сплави в сложни среди“, казва Дерек Уорнър, доцент по гражданско и екологично инженерство и водещ автор на доклада. "Това може да се окаже много мащабно явление - големите структури могат да се счупят, но процесът може да бъде контролиран на атомно ниво, особено когато погледнете ефектите в околната среда."

В околната среда има много различни начини, които оказват неблагоприятно въздействие върху даден материал, включително разтваряне, образуване на оксиди и др. Уорнър и екипът избират да се съсредоточат върху разтварянето, което се наблюдава навсякъде - от корозирали метални повърхности до ерозирала човешка кост, пише Phys.org.

Учените създава поредица от атомни 2D модели на структурна сплав, подобна на алуминий и стомана, която е пластична, т.е. достатъчно гъвкава, за да не се счупи при деформация, както се чупи стъклото например.

Чрез многобройни симулации изследователите успяват да наблюдават различните начини на взаимодействие между атомите. След това започват да премахват слабо свързани атоми от повърхността, един по един, и наблюдават поведението на пукнатината.

Това, което откриват, е, че премахването на повърхностния слой на материала възпрепятства растежа на пукнатината.

"Склонността на пукнатина да расте зависи от това колко е остра", казва Уорнър. "Ако имате голям заоблен прорез, е малко вероятно пукнатината да се разпространи. Но ако имате някаква остра черта, като цепка или резка, е по-вероятно да има растеж. Така че отстраняването на малко материал по подобен начин на това, което се случва по време на корозия, в действителност може да подобри механичните характеристики."

Бруклинският мост при изгрев слънце, Ню Йорк, Манхатън.

Бруклинският мост при изгрев слънце, Ню Йорк, Манхатън.

© Илюстрация: IStock

Приложения в медицината и инженерното проектиране

Откритието може да намери приложение включително в човешката биология, отбеляза Уорнър. Остеокластите (вид костна клетка) например, разтварят костната тъкан, като начин за насърчаване растежа на костите и поддържането им при фрактури.

"В някои ситуации, когато имате определена инженерна структура, структурна сплав, всъщност би било полезно да я оставите да корозира малко, защото това може да затъпи пукнатините, които вече са там", каза Уорнър.

Изследването е важно за Службата за военноморски изследвания на САЩ, която финансира проучването, заради усилията ѝ при поддържането на скъпите самолети, които се използват в екстремната океанска среда.

"С по-добро моделиране, те (Службата за военноморски изследвания) могат да преценяват по-добре дали е безопасно да се лети и колко често трябва да се правят огледи на самолетите, за да се търсят проблеми", казва Уорнър.