피로

샌디아 국립 연구소(SNL)와 미국 텍사스 A&M 대학의 연구원들은 금속의 균열이 짧아지는 것을 관찰했습니다. 균열은 일반적으로 더 길어진다는 예상치 못한 발견은 금속의 균열 이론을 뒤집고 내부 손상을 "치유"하는 재료 설계에 도움이 될 수 있습니다.

금속에 반복적으로 응력과 변형이 가해지면 미세한 균열이 형성되기 시작합니다. 이러한 균열은 피로 손상의 일종이며, 시간이 지남에 따라 점점 커지고 퍼져 결국 구조가 파손될 수 있습니다. 종종 예측할 수 없게 됩니다.

이러한 성장은 되돌릴 수 없는 것으로 간주되었지만 SNL 재료 과학자이자 엔지니어인 Brad Boyce가 이끄는 연구진은 이것이 반드시 사실은 아니라는 사실을 발견했습니다. 그들의 연구에서 그들은 내부에서 일어나는 일을 관찰하면서 나노 크기의 백금 샘플을 반복적으로 변형시킬 수 있도록 특별히 수정된 전자 현미경을 사용했습니다. 예상대로 그들은 실험 초기에 나노 규모의 피로 균열이 나타나는 것을 보았습니다. 그러나 뜻밖에도 약 40분 후에 균열의 끝부분이 다시 융합되는 것을 목격했습니다.

Boyce는 "균열은 더 작아질 것이 아니라 더 커질 것으로 예상되었습니다."라고 말했습니다. "균열 성장을 설명하기 위해 우리가 사용하는 기본 방정식 중 일부조차도 그러한 치유 과정의 가능성을 배제합니다."

SNL팀은 실험을 시작할 당시 의도적으로 이 효과를 찾아낸 것은 아니었지만, 관찰한 결과 멤버들은 손상 반전 과정, 즉 '자가 치유'가 균열 측면에서 발생하는 냉간 용접의 한 형태임을 확인했습니다. 이러한 효과는 국부적인 응력과 결정립계 이동의 조합에 의해 유발되며, 텍사스 A&M의 재료과학 및 공학 교수인 Michael Demkowicz는 2013년에 이것이 가능하다고 예측했습니다.

재료의 고장을 일으키는 작은 결함 발견

Demkowicz는 "재료의 미세 구조가 변경되면 균열의 반대 힘을 함께 밀어낼 수 있습니다."라고 설명합니다. "얼굴이 깨끗하면 냉간 용접을 통해 결합하고 '치유'할 수 있습니다."

이전에도 연구자들이 자가 치유 재료를 제작한 적이 있지만 이러한 재료는 주로 금속이 아닌 플라스틱으로 만들어졌습니다. 그러나 Demkowicz는 특정 조건에서 금속은 피로 손상으로 인해 발생한 닫힌 균열을 용접할 수 있어야 한다고 계산했습니다. "내 예측을 테스트할 수 있는 실험을 생각해내는 것은 어려웠지만 실제로 일반적인 손상 진화를 이해하기 위해 노력하고 있던 SNL 연구원들은 우연히 내가 이론화한 과정을 관찰하게 되었습니다."

가까운 시일 내에 Demkowicz는 Physics World에 이번 연구 결과가 금속 파괴 이론을 개선하는 데 도움이 될 것이라고 말했습니다. 장기적으로는 손상에 저항하는 금속을 설계하기 위한 새로운 전략으로 이어질 수 있습니다.

Nature에 자세히 설명된 이 연구에서 연구자들은 진공 상태에서 측정을 수행했기 때문에 균열 치유가 공기에서도 일어날 수 있는지 여부는 불분명합니다. 이제 연구자들은 이것이 가능한지 알아보고 싶어합니다.