Uçaklar ve Raylarda Metal Yorgunluğuna Son >> Bilim adamları kendini onaran metaller keşfetti

MIT araştırmacıları metallerin çatladığı yerden kopmak yerine kendini onarabildiğini keşfettiler. Uçak kanatları ve demiryolu rayları gibi ağır yük binen metal parçalarda mikro çatlaklar meydana geliyor. Bu da bükülen raylar nedeniyle trenlerin yoldan çıkması, seyir halindeki uçakların kanatlarının kopması ya da lamba direklerinin devrilmesi gibi kazalara yol açıyor.

MIT araştırma ekibi, lastik gibi iki yana gerildiği zaman çatlayıp kırılması gereken bir metal plakasının, parçalanmak yerine kendini “onardığını” keşfetti. Metaldeki mikro çatlaklar kendiliğinden kapandı ve metal parçaları kenarlardan birbirine kaynadı.

Kendini onaran metaller sadece kazaları önlemekle kalmayacak. Aynı zamanda metalden yapılma eşyaların, motorların, otomobillerin, hatta inşaat demirleri ve çelik kolonların kullanım ömrünü uzatacak. Bu da Türkiye gibi bir deprem ülkesinde binaların sarsıntıda yıkılma ihtimalinin azalması anlamına geliyor.

Bu şaşırtıcı keşfi, MIT Yüksek Lisans öğrencisi Guoqiang Xu ve MIT Materyal Bilimi ve Mühendislik Bölümünden Profesör Dr. Michael Demkowicz yaptı.¹ Demkowicz ilk test sonuçlarını şöyle açıklıyor: “Tekrar tekrar kontrol ettik. Gerilme aşamasında oluşan [çatlaklar] kapanıyordu. [Deneylerde] bir hata olmadığını anladığımız zaman sıradaki soruyu sorduk: Neden böyle oluyordu?”

Metaller kendini nasıl onarıyor?

Metaller mikroskobik ölçekte kristale benzeyen bir yapı sergiliyor. Bu kristal yapının kenarlarındaki metal molekülleri ise bazı şartlar altında kum taneleri gibi akarak kenarların üzerinde yer değiştiriyor. Metallerin kenarlarının tıpkı kaynak yapılan demir levhalar gibi akması (mikroskobik ölçekte çok sınırlı bir akış) metaldeki çatlakların kaynamasını sağlıyor.

MIT araştırmacıları bu teoriyi test etmek için deniz tabanındaki petrol kuyularında kullanılan nikel metaliyle deney yaptılar. Nikel, denizin derinliklerindeki metal yapıların yüksek basınçtan zarar görmemesi için geliştirilen süper alaşımların üretiminde kullanılıyor. Xu ve Demkowicz metalin mikro yapısını incelemek için bir bilgisayar modeli oluşturarak nikelin strese dayanıklılığını ölçtü. Demkowicz, “Prensipte herhangi bir stres uygulandığı zaman oluşan çatlakları kapatan bir mekanizma bulduk” diyor.

Metaller genellikle farkı boylarda olan ve farklı yönlere bakan kristal benzeri minik taneciklerden oluşuyor. Bu taneciklerin dizilimi metalin ne kadar dayanıklı olduğunu belirliyor ve metallere diğer özelliklerini kazandırıyor. Ancak bazı durumlarda Xu ve Demkowicz, metale uygulanan stresin metalin mikro yapısının değişmesine yol açtığını; yani çatlakların kenarındaki metal moleküllerinin yer değiştirmesine neden olduğunu gördüler. Metal moleküllerinin yer değiştirmesi çatlakları onarıyordu.

Kum gibi akan moleküller

Erimiş demir gibi sıvı metallerin ağdalı bir şekilde aktığını biliyoruz ve bunu her dökümhanede görebiliriz ama katı metallerin kenarlarının da akışkan olması yeni keşfedilen bir durum. Demkowicz katı metallerde yer değiştiren moleküllerin 10 yıldır incelendiğini belirtiyor, ancak metallerin yalnızca belirli şartlarda kendini onarabildiğini ekliyor.

Metaller sadece tanecikli moleküllerin içine kısmen nüfuz eden çatlakları onarabiliyor. Metalin kum gibi akan kenarlarını aşıp sert ve sabit kristal yapısının içine ilerleyen çatlakları onarmak ise mümkün olmuyor. Bilim adamları metalde onarabilen çatlakları “disklinasyon çatlaklar” olarak adlandırıyor (dışa dönme).

Disklinasyon özelliği yaklaşık 100 yıl önce keşfedilmişti, ancak bunların metallerin kendini onarmasını sağladığı bilinmiyordu. Disklinasyon çatlaklarının kenarları dışa doğru dönerek, metalde güçlü gerilim alanlarına yol açıyor ve metale uygulanan gerilme kuvvetini tersine çeviriyor. Kısacası bir metal parçayı koparıp ikiye ayırmak istediğiniz zaman, metal parçaları birbirinden uzaklaşarak çatlağı büyütmek yerine çatlağı kapatıyor. Bu biraz da gerdikçe sağlamlaşan bir lastik ipe benziyor.

Metalleri kendini onarmaya teşvik etmek

Araştırmacılar bilgisayar simülasyonları ile metalde disklinasyon çatlaklarının nasıl oluştuğunu inceliyor. Böylece stres altındaki metallere, örneğin metal yorgunluğuna maruz kalan bir uçak kanadına özel yük bindirerek kanadın kendini onarmasını sağlamak mümkün olacak.

Çatlaklar belirli yönlerde oluştuğu için metali de belirli yönlerde, örneğin aşağı doğru bükmek veya biraz germek bütün bu tehlikeli çatlakların kapanmasını sağlayacak. Bu biraz da oto tamir ustalarının kazada hasar gören arabaların kaportalarını tamir etmesine benziyor. Ancak, bu kez onarım sırasında bilimsel yöntemler ve mikroskoplar kullanılacak. Bilgisayarlar, teknisyenlere metali onarmak için ne ölçüde kuvvet uygulanması gerektiğini söyleyecek ve metalin ne yöne bükeceklerini gösterecek.

Demkowicz bu keşfin metalürji ve mühendislikte yepyeni bir araştırma alanı yarattığını ekliyor: Metrenin milyarda biri ölçeğindeki “Nano çatlakları nasıl engelleyeceğinizi bulursanız veya bunları oluşur oluşmaz onarabilirseniz çatlakların yayılmasını da engellemiş olursunuz. Bu da bir parçanın kullanım ömrünü uzatabilir veya o parçanın güvenle kullanılmasını sağlayabilir.”

Sonuç olarak metal yorgunluğu sadece direklerin devrilmesine yol açmıyor. Uçak kanadını bir arada tutan bağlantı noktalarında ve bağlantı parçalarında da çatlaklar açılmasına sebep oluyor. Metal parçaların kullanım ömrünün uzaması bu açıdan önem taşıyor. Buna ek olarak, bilim adamları Terminator 2 filminden bildiğimiz sıvı metal teknolojisini de geliştirdiler. Kendini onaran metaller sıvı metal teknolojisiyle birlikte kullanırsa, demir kapılar bile kendini çatlağa dökülen beton harç gibi onarabilir.

Kendini onaran metaller videosu

Bu bilgisayar simülasyonu, metaldeki mikroskobik çatlakların kenarlardan kum taneleri gibi akan “akışkan moleküller” tarafından nasıl onarıldığını gösteriyor. Altıgen şekiller oluşturan beyaz çizgiler akışkan moleküllere karşılık geliyor. Karenin ortasında, alt kenarın hemen sağında bulunan siyah yatay çizgi ise aslında mikroskobik bir çatlak.   

¹Healing of Nanocracks by Disclinations G. Q. Xu^* and M. J. Demkowicz
Department of Materials Science and Engineering, Massachusetts Institute of Technology (MIT), Cambridge, Massachusetts 02139, USA, 2 October 2013