Вземете скоба за тел. Сега го огънете напред и назад на едно и също място 15, може би 20 пъти. Кламерът може да се е счупил, преди да сте приключили. Това се дължи на така наречената умора на метала, която възниква, когато метален компонент е подложен на периодично напрежение, докато не се повреди.
Докато счупен кламер е тривиален пример за умора на метала, това явление е огромен проблем в целия свят. „Повечето неочаквани повреди – мостове, самолети, петролни платформи, сърдечни клапи – се провалят с този процес“, каза професор по материалознание в Калифорнийския университет в Санта Барбара. Тереза Бълок, специализирана в механичните и екологични характеристики на материали в тежки среди. Почти всеки конструктивен метал, подложен на периодично напрежение – деформации, вибрации, температурни крайности, удари и други подобни – е слаб, с резултати, които могат да струват стотици милиарди долари всяка година.
За да предскажат и избегнат тези катастрофални съдби, Бълок и колеги изследователи от UCLA, Университета на Илинойс в Урбана-Шампейн и Университета на Поатие във Франция са разработили теория, която предвижда границите, до които минералите могат да бъдат подложени на цикличен стрес преди повреда. И те могат да очакват провал от първия цикъл.
те Проучване То е публикувано в списание Science.
Способността да се предвиди кога даден метален компонент ще се повреди поради цикличен стрес отдавна е приоритет при проектирането на инженерна система, независимо дали става въпрос за промишлена сърдечна клапа или атомна електроцентрала. Въпреки това, според Бълок, който също е временен декан на Инженерното училище в Калифорнийския университет в Санта Барбара, процесът за вземане на това решение не се е променил много от близо два века.
„Вземат нещо, въртят го и измерват циклите на провала“, каза тя.
Но тези емпирично обусловени резултати често идват без дълбоките количествени прозрения, които биха позволили прогнози за широк спектър от минерали при различни условия. За да се усложнят още повече нещата, отказите често могат да възникнат след милиони или милиарди цикли. „Ако трябваше да тествате нещо в продължение на година или 10 години, преди да се провали, би било малко трудно да получите достатъчно резултати от теста, за да проектирате срещу този провал“, каза Бълок.
Напредналите технологии предоставят нови прозрения
От момента, в който твърдият метал претърпи първия си цикъл на напрежение – обикновено първо при опън, последван от компресия и след това обратно до нула – той е настроен на път на повреда. Но често щетите не се виждат веднага с просто око. Въпреки това, в нанометров мащаб, има повреда: атомите в напрегнатата област на метала се плъзгат един срещу друг, създавайки модели на износване, наречени “ленти на приплъзване”. Тъй като материалът преминава през повече цикли, се появяват повече от тези плъзгащи се ленти и в крайна сметка се образува микропукнатина. Допълнителните цикли на натоварване карат пукнатината да расте, докато се превърне в макроскопична пукнатина и металът се повреди.
„Якостта на умора“ е напрежението, което може да бъде толерирано за голям брой цикли преди повреда, често между милион и милиард. Тестването на широка гама от инженерни метали и сплави с помощта на набор от нови техники позволи на изследователите да свържат измерванията от първия цикъл на локализиране на приплъзване към якостта на напрежение на метала по изненадващо прост начин.
„Никога не сме очаквали тази корелация да бъде линейна в толкова много различни материали“, продължи тя. „Наборът от изследвани материали е много, много различен един от друг и всички те лежат на една и съща крива.“
В основата на откритието на екипа е микроскопът TriBeam, разработен от UCSB, който позволява нови подходи с висока разделителна способност за изучаване на плъзгащи се ленти, заедно с нови ултразвукови тестове за умора и мултимодални техники за анализ на данни. „Способността да се разработват и поддържат тези усъвършенствани инструменти и да се комбинират с анализ, подпомаган от машинно обучение в рамките на инфраструктурата на UCSB, е от решаващо значение“, каза Бълок.
Според проучването местоположението и интензивността на първите събития на локализиране на приплъзване предсказват кога материалът ще се разпадне и къде ще започне да се образува пукнатината. Ключът към тези очаквания е “границата на провлачване” на метала – известна като точката без връщане, където металът се деформира необратимо по време на натоварване.
„Изненадващото наблюдение е, че някои от лентите на приплъзване, които се появяват през първата половина на цикъла на стрес, изчезват напълно до края на цикъла“, обясни Бълок. „Въпреки това, малка част от лентите не изчезват или „преобръщат“ по време на първия цикъл; тези сайтове се откриват там, където е възникнала повреда след един милиард цикъла.“
Изследванията с висока разделителна способност, проведени от изследователите, също дават представа за факторите, които влияят върху якостта на напрежение на метала, включително методите на обработка и кристалната структура – триизмерното разположение на металните атоми. Начинът, по който атомите се плъзгат един върху друг, варира в зависимост от начина, по който са подредени. Телесно центрираните кубични подредби (атоми във всеки ъгъл и в центъра на куба) изпитват повече разпръснати събития на приплъзване, докато лицево центрираните кубични (атоми във всеки ъгъл и на всяка страна на куба) и затворените шестоъгълни пакети метали показват по-локализирани приплъзвания и по-голяма вариация в интензивността им. Тези параметри биха могли да обяснят разликите в продължителността на живота на минерали с различни кристални структури и да повлияят на теорията на изследователския екип.
Тези новооткрити корелации и количествени прозрения напредват в разбирането на металния стрес, като се има предвид, че те могат да бъдат използвани за проектиране на оптимално проектирани системи и по-точно прогнозиране кога и как метален компонент ще се провали.
„Ако можехте да предвидите как ще се представи даден метал от първия цикъл, нямаше да се налага да преминавате през всички тези скъпи и отнемащи време методи за тестване и бихме могли да направим по-добри материали и да се предпазим от бедствие“, каза Бълок.
Изследванията на Бълок за това проучване бяха подкрепени от стипендията на Vannevar Bush College на Министерството на отбраната на САЩ (VBFF), която се присъжда на приблизително 10 членове на факултета във всички области всяка година. VBFF подкрепя нови идеи от кутията, тъй като креативността на изследователя се пресича с неизвестното.