Исследование тайн трещин и напряжений

Нырок в бассейне с метровой вышки позволяет войти в воду гладко и безболезненно, но если нырнуть с высокого моста, можно погибнуть.

Вода в каждой случае обладает одинаковыми свойствами, так почему же эффект от удара о поверхность столь различен?

Это, вероятно, основной вопрос в основе сложного исследования, проведенного учеными с кафедры ядерной физики и инжиниринга Массачусетского технологического института, которое анализировало, как материалы реагируют на различные усилия. Результаты, в конечном счете, способны помочь объяснить явления столь же различные, как разлом бетона под внезапным давлением и эффекты коррозии на разных металлических поверхностях.

Используя комбинацию компьютерного моделирования и экспериментальных тестов, ученые исследовали один определенный тип напряжения — в дефекте, называемом винтовой дислокацией — в одном виде материала, железной кристаллической решетке. Однако основное объяснение, сообщили ученые, может иметь широкие значения для множества видов напряжений в различных материалах.

Исследование, проведенное докторантом Ю Фаном, доцентом Билдж Илдиц и профессором Сидни Йип, опубликовано в издании journal Physical Review Letters.

По сути, ученые проанализировали, как прочность материала может резко возрасти, как только увеличится уровень напряжения материала. Этот переход к уровню излома или сгиба материала наблюдался экспериментально многие годы, однако его механизм никогда полностью объяснен не был.

«Формулировка распространяется не только на описанный дефект», пояснила Илдиц. Исследователи установили ряд общих принципов. „Мы доказали, что система работает“, сказала она.

„Существуют значения вне дислокаций, и даже вне кристаллов“, добавила Йип. Однако прежде чем расширить работу, ученым необходимо было доказать принцип, применив его к определенному случаю, в данном случае к винтовой дислокации в железе. Хотя другие ученые проанализировали поведение, связанное со специфическими видами дефектов в определенных материалах, с новыми принципами им стало доступно объяснение данных, которые не требуют определенных предположений.

Подъем потокового напряжения — важное явление в материалах, пояснил Фан, отметив, как материалы ломаются и сгибаются в процессе пластиковой деформации. „Это распространено во всех металлах“, сказал он.

Способ изменения деформации изменяется в зависимости от применяемых сил, говорит Фан, и подобен способу, с которым поверхность воды в бассейне может разделяться мягко, когда ныряльщик ударяется об нее с определенным скоростным уровнем, но ей не хватает времени на разделение, и тогда она ведет себя как твердое тело, когда скорость вхождения слишком высока.

Все дело в так называемой локализации напряжения, то есть способе, с которым воздействие или другое напряжение ограничены небольшим стартовым местоположением, и как быстро приложенные силы могут распространиться вне той точки. Чтобы понять это, ученые должны были проанализировать, как атомы и молекулы двигаются, чтобы произвести этот тип поведения.

Ученые установили, что помимо уровня приложения напряжения эффект критически зависит от температуры материала. „Люди полагают, будто эти эффекты независимы“, сказал Фан, однако на самом деле эффекты уровня напряжения и температуры связаны друг с другом.

Уровень изменения материала может внезапно меняться на порядок, преобразуя эрозию в катастрофический разлом. Анализ способен помочь спрогнозировать разрушение структур, столь же различных как бетонные здания, металлические баки высокого давления в силовых установках и структурные компоненты корпусов самолетов, но необходима дальнейшая работа, чтобы показать, как эти принципы можно применить к различным материалам.

„Мы полагаем, что подобное поведение универсально среди разных материалов“, заключил Йип. „Однако нам еще только предстоит доказать это. Мы пока в самом начале пути“.

01.10.2012