생명의 원인을 탐구하는 물리학자

2022년 11월 11일

로렌스 리버모어 국립 연구소

"체류 피로"는 이륙 시 제트 엔진의 팬 디스크와 같이 응력을 받은 상태에서 티타늄 합금에 발생할 수 있는 현상입니다. 이 독특한 고장 모드는 구성 요소의 수명을 크게 단축시키는 미세한 균열을 일으킬 수 있습니다.

가장 널리 사용되는 티타늄 합금인 Ti-6Al-4V는 2017년 파리에서 로스앤젤레스로 가는 에어버스가 그린란드 상공에서 팬 디스크 고장을 겪어 긴급 상황이 발생한 에어 프랑스 066편 사고 이전에는 체류 피로를 나타내는 것으로 여겨지지 않았습니다. 착륙. 해당 사건에 대한 분석과 최근의 몇 가지 우려 사항에 따라 연방 항공국(Federal Aviation Administration)과 유럽 연합 항공 안전청(European Union Aviation Safety Agency)은 항공 우주 산업 전반에 걸쳐 작업을 조정하여 체류 피로의 근본 원인을 파악하게 되었습니다.

전문가에 따르면, 금속은 기본 결정 격자의 선 결함 이동인 전위 슬립을 통해 주로 변형됩니다. 연구자들은 미끄러짐이 3차원에서 보다 균일하게 발생하는 대신 좁은 띠로 제한될 때 거주 피로가 시작될 수 있다고 주장합니다. 나노미터 규모의 금속간 Ti3Al 침전물의 존재는 특히 가공 조건이 장거리 정렬을 허용할 때 밴드 형성을 촉진합니다.

연구진은 이러한 밴딩 현상이 '매크로존'이라고 불리는 '부드러운' 방향의 곡물의 연속적인 그룹에서 발생하면 상황이 위험해진다고 연구진은 설명했습니다. 밴드가 매크로존 외부의 "단단한" 방향 결정립을 만나는 결과적인 변형 집중은 응력 집중으로 이어져 균열 프로세스가 시작됩니다.

상황을 더욱 복잡하게 만드는 것은 작은 단층 미끄러짐 사건이 더 심각한 지진을 일으킬 수 있는 것과 유사하게 파열 또는 "눈사태"에서 간헐적으로 전위 미끄러짐이 발생한다는 것입니다. 이러한 미끄러짐 눈사태의 크기와 빈도는 체류 피로의 시작에 큰 영향을 미칩니다.

현직 및 전직 로렌스 리버모어 국립 연구소(LLNL) 과학자를 포함한 다국적 팀의 최근 연구에서 연구자들은 싱크로트론 X선을 사용하여 실온에서 하중을 받은 티타늄의 개별 슬립 눈사태 이벤트를 추적했습니다.

Imperial College London의 팀은 Ti-6Al-4V의 기본 단계를 대체하는 합금인 특별히 준비된 Ti-7Al의 표본을 제공했습니다. 2점 결함 유형의 모집단은 시편 전체에 걸쳐 조절되었습니다: 격자간 산소 함량 및 정렬된 Ti3Al 석출물의 양.

Nature Communications에 발표된 이 연구는 Ti3Al이 순서를 나타내는 경우 미끄럼 눈사태가 관련 응력 크기에서 더 심각하다는 것을 보여줍니다. 대조적으로, 간질 산소의 양을 늘리면 심각도가 감소하여 작은 눈사태가 더 자주 발생하는 것으로 보입니다.

"이 연구는 체류 피로를 뒷받침하는 간헐적인 변형 사건(플라스틱 슬립의 작은 "폭발")에 대한 새롭고 중규모의 관점을 제공하며, 특히 그러한 사건의 빈도와 규모가 산소 함량과 합금화에 어떻게 의존하는지를 제공합니다."라고 공동 저자이자 LLNL은 말했습니다. 물리학자 조엘 버니어. "이 데이터는 거주 피로에 대한 저항에 해로운 영향을 미치는 미세 구조를 피하기 위한 처리를 안내하는 데 도움이 될 수 있습니다."

Bernier는 Cornell 고에너지 싱크로트론 소스(CHESS)에서 고에너지 X선 회절 현미경 측정을 실행하는 데 도움을 주었고 LLNL에서 개발한 HEXRD 소프트웨어 라이브러리를 사용하여 데이터 축소를 수행했습니다. 연구팀은 미끄럼 눈사태로 인한 응력 폭발의 빈도와 크기를 정량화하고 두 가지 유형의 점 결함이 결정 격자의 기저 평면에서 발생하는 미끄럼에 뚜렷한 영향을 미친다는 사실을 발견했습니다.

연구원들은 이러한 변형 메커니즘이 초기 항복 이후에 활성화되기가 더 쉬워진다는 사실을 발견했습니다. 이러한 연화는 체류 피로의 경우 손상 축적 및 파손의 전조로 알려진 것으로 알려져 있습니다. 주요 발견 사항 중 하나는 산소 틈의 농도가 높을수록 더 빈번한 더 낮은 규모의 사건을 촉진하여 기저 미끄럼 사태의 평균 규모를 감소시키는 것입니다.