Ten rendering pokazuje symulację na końcu pęknięcia zmęczeniowego z dwoma defektami dyslokacyjnymi

Jak powstają i rozprzestrzeniają się pęknięcia? Nowe badania mogą pomóc opracować materiały przyszłości

Większość konstrukcji ulega zniszczeniu nie z powodu taniego materiału użytego do ich wykonania czy nagłego uderzenia. Powód jest znacznie bardziej błahy, choć nieuchwytny – to długotrwałe pęknięcia szczelinowe wynikające ze zmęczenia materiału. Naukowcom udało się zidentyfikować mechanizm stojący za tym zjawiskiem.

Zespół naukowców z Cornell Engineering pod kierownictwem prof. Dereka Warnera dokonał przełomu w zrozumieniu, jak pękają niektóre materiały. Wykorzystując modelowanie atomowe, uczeni zidentyfikowali mechanizm, który powoduje wzrost pęknięć zmęczeniowych, czyli takich powstających naturalnie w wyniku zbyt długiej eksploatacji danego materiału.

Czytaj też: Materiały przyszłości. Cztery związki, o których będzie głośno

Odkrycie to może pomóc inżynierom lepiej przewidywać zachowanie materiału i projektować nowe stopy odporne na zmęczenie. Szczegóły można przeczytać w Nature Communications.

Rzeczy zawodzą z powodu zmęczenia, a to dlatego, że pęknięcia wciąż rosną. Utknęliśmy z modelem, który nie był w stanie modelować tego, co zamierzaliśmy. Przejrzeliśmy literaturę innych osób, które przeprowadzały atomistyczne symulacje wzrostu pęknięć i okazało się, że cała literatura była ograniczona do 10 tysięcy cykli. Nikt tak naprawdę nie robił symulacji wykraczających poza ten zakres.

Derek Warner

Symulacje komputerowe używają znacznie niższych obciążeń mechanicznych, a także krótszych cykli ich trwania, ponieważ większość badaczy nie ma wystarczająco dużo mocy obliczeniowej, aby odtworzyć eksperymenty ze świata rzeczywistego. Grupa Warnera postanowiła stworzyć serię symulacji strukturalnego stopu – podobnego do stali lub aluminium – ale w próżni. Każda z symulacji zawierała inny sztuczny mechanizm mogący sprowokować pęknięcia do przemieszczania się naprzód – jak miałoby to miejsce w prawdziwym świecie. Wykazały one, że pęknięcia nigdy nie kończyły się dokładnie w tym samym miejscu, w którym się zaczynały.

Rendering przedstawiający propagację pęknięcia zmęczeniowego

Uszkodzenia zmęczeniowe są bardzo powszechne, ale nigdy nie było jasne, co właściwie dzieje się na końcu pęknięcia. Konieczne jest, aby te defekty wróciły w nieco innym miejscu niż to, z którego wyszły. To kończy się przesunięciem materiału z dala od wierzchołka pęknięcia. Więc zasadniczo przesuwa się do przodu.

Derek Warner

Naukowcy z Cornell University badają teraz, w jaki sposób dyslokacje pęknięć mogą trafiać w różne miejsca i jaki wpływ na to mają obciążenia środowiskowe.

Myślę, że z powodu braku fundamentalnego zrozumienia tego, jak przebiega zmęczenie, projektowanie nowych stopów i materiałów konstrukcyjnych koncentrowało się na wytrzymałości i plastyczności, a nie na zmęczeniu. Chcemy więc połączyć ten fundamentalny proces z obliczalnymi właściwościami materiałów, aby otworzyć nowe drogi do tworzenia materiałów odpornych na zmęczenie.

Derek Warnere