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晶体边界研究能够预防深油井下的金属发生脆化断裂

日期: 2019-05-23
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扫描电镜照片显示了氢脆导致的金属断裂行为。电子背散射衍射得到的色斑揭示了选定裂缝周围的颗粒结构。这类图片可以显示出微观结构和氢脆间的相关性,并用来识别氢辅助断裂时的特征


材料人网注:麻省理工学院的研究人员发现晶界物理上的排列和颗粒边界的变化可以将金属遭破坏的可能性降至最小并延长其服役的寿命。

麻省理工学院的研究人员发现了一种特殊的金属结构,可以防止其在氢环境下的断裂。这项研究可能帮助防止油井的金属管道衬套脆化。这些油井被放置在海洋表面下几英尺的地方。由于海洋表面下氢浓度更高,氢渗透入金属中会导致产生脆化、裂纹和泄露,因此,建造油井需要使用更加可靠和坚硬的金属材料。

MIT的研究团队还发现了加工过程中对金属结构改性后发生的根本变化,这些变化可以将金属遭破坏的可能性降至最小和延长其服役的寿命。Demkowicz声称他和他的同事探究了在严酷环境下材料抵抗破坏的概念。“深井下的环境是呈高酸性的,即意味着在这样的环境中有大量的氢存在。”在这样的环境下,服役于深井衬套的镍合金的脆性大大地增加了。

“一百年前,人们就已经意识到当暴露在氢环境下,金属将变脆。事实上,我们今天遇到的大部分材料问题都是我们已经知道了很久的问题,像腐蚀、疲劳、各类失效。但是,我们依然在预防这些问题的发生上面做得很差。”Demkowicz如是说。

考虑到关键部件如反应堆冷却剂线和油井涂层不能出现问题,为了安全,并对失效做了最坏的分析,这类金属零件会得到优先更换。使用更多耐性材料或是合理地预防能够确保材料更长的服役周期,这样可以有效地节约成本。该研究团队声称他们的研究发现可以显著地避免在石油钻井作业时镍合金的频繁更换。

论文的两个主要作者之一的Seita说“我们所做的研究的新颖之处在于我们用于观察材料的微观结构时使用的模式以及在探究导致脆化时微观结构的作用是什么上。”在此分析的基础上,研究者发现裂纹倾向在晶界处萌生,但是,通过对晶界的特殊调整可以阻止小裂纹发展成大裂纹。因此,研究人员发现物理上的排列和颗粒边界在决定金属脆化敏感程度上起着重要的作用。

“以前的研究看到了晶界的重要作用,但只是关注它们在材料上的整体排列,”Hanson说,“我们需要关注单个晶界,将注意力放在单个裂纹和单个晶界上。”Seita声称,某些特殊晶界天生就能抵抗裂纹。“人们觉得引入更多这样的特殊晶界将使材料具有更大的抵抗力,但是实际情况要比这样认为复杂得多。”


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