Ultranopea kamera paljastaa kuinka metallit murtuvat
Valmistusmateriaaleja valittaessa on tärkeää tietää kuinka materiaalit muuttavat muotoaan ja murtuvat. Ryhmä tutkijoita Aalto-yliopistosta ja Tampereen yliopistosta kuvasi suurnopeuskameralla mitä tapahtuu, kun metalliseoksesta valmistettuja kappaleita venytetään murtumispisteeseen. Tulokset avaavat mahdollisesti uusia uria materiaalien muodonmuutosten tutkimukseen.
Kun materiaalia venytetään kevyesti, se joustaa ja palautuu alkuperäiseen muotoonsa kuormituksen poistuessa. Jos venytystä jatketaan, kappaleessa tapahtuu pysyvä plastinen muodonmuutos. Materiaalin muuttaessa muotoaan myös sen käyttäytyminen muuttuu, kunnes se ennen pitkää murtuu. Tiettyjen materiaalien – muun muassa huipputeknisissä sovelluksissa kuten autoissa ja lentokoneissa käytettävien kevyiden alumiiniseosten – muoto muuttuu kuormitettaessa arvaamattomasti. Tutkijat keskittyivät erityisesti plastisen muodonmuutoksen epävakausilmiöön, jota kutsutaan Portevin–Le Chatelier (PLC) -efektiksi. PLC-efekti näkyy näytteen pinnalle muodostuvien nauhojen liikkeenä, joka saa materiaalin käyttäytymään arvaamattomasti. Tutkijoiden tavoitteena oli ymmärtää kuinka nauhat liikkuvat ja siten ennustaa materiaaleissa tapahtuvia muodonmuutoksia.
– Olemassa olevat PLC-efektin teoreettiset mallit eivät olleet kovinkaan hyödyllisiä, kertoo professori Mikko Alava, joka johti tutkimusryhmää Aalto-yliopistossa.
Tutkijat kuvasivat näytteitä laservalon ja suurnopeuskameroiden avulla ja vertasivat kerättyä dataa erilaisiin teoreettisiin malleihin. He havaitsivat, että magneettien käyttäytymistä kuvaava ABBM-malli kykeni hyvin tarkasti ennustamaan materiaalien käyttäytymisen plastisen muodonmuutoksen aikana. ABBM on materiaalitieteen alalla vakiintunut malli magnetisaation muutosten kuvaamiseen.
– Tutkimuksen onnistumisen avain oli sen ymmärtäminen, mitkä tutkittavan materiaalin parametrit vastasivat ABBM-mallin kehittyneen version parametrejä, kertoo professori Alava.
– Keräsimme mittavan data-aineiston, jonka avulla osoitimme mallin ennustavan tarkasti materiaaleissa tapahtuvia muodonmuutoksia.
Tutkimusartikkeli on julkaistu Science Advances -lehdessä.
– Mittausten aikaresoluutio ei ole aiemmin ollut riittävä teoreettisten mallien vertailuun, kertoo tohtorikoulutettava Tero Mäkinen, joka oli päävastuussa tutkimuksesta. – PLC-nauhojen liikkeitä on tutkittu aiemminkin erityisesti materiaalitieteen alueella, mutta pienimmätkin yksityiskohdat on saatava esiin, jotta havaitaan nauhojen käyttäytyvän magneettien lailla.
– On huomionarvoista ja yllättävää, että kahta näennäisesti hyvinkin erilaista ilmiötä, eli magnetisaation muutoksia ja muotoaan muuttavan materiaalin venymän lokalisoitumista, voidaan kuvata saman yksinkertaisen tilastollisen mallin avulla, sanoo tutkimukseen osallistunut Tampereen yliopiston tenure track -professori Lasse Laurson.
Alava kertoo saaneensa idean tutkimukseen jo vuonna 2015. Uusi malli ennustaa tarkasti alumiiniseosten muodonmuutoksia, mutta soveltuuko se myös muihin metalliseoksiin?
– Metalleissa voi olla useita erityyppisiä PLC-nauhoja. Nyt kun olemme todentaneet mallimme soveltuvuuden yhdelle tyypille, haluamme selvittää soveltuisiko se niihin kaikkiin, Alava kertoo.
Lisätietoja
Tutkimusartikkeli
Propagating bands of plastic deformation in a metal alloy as critical avalanches, Science Advances
Yhteystiedot
Professori Mikko Alava, Teknillisen fysiikan laitos, Aalto-yliopisto, p. 050 413 2152, mikko.alava [at] aalto.fi (mikko[dot]alava[at]aalto[dot]fi)
Tenure track -professori Lasse Laurson, laskennallisen fysiikan laboratorio, Tampereen yliopisto, p. 050 545 5387, lasse.laurson [at] tuni.fi (lasse[dot]laurson[at]tuni[dot]fi)
