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.
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
