Højhastighedsbilleder kaster lys over, hvordan metaller fejler

Hvordan ting deformeres og går i stykker er vigtigt for ingeniører, da det hjælper dem med at vælge og designe, hvilke materialer de skal bruge til at bygge ting. Forskere ved Aalto Universitet og Tampere Universitet har strakt prøver af metallegeringer til bristepunktet og filmet det ved hjælp af ultrahurtige kameraer for at studere, hvad der sker. Deres opdagelser har potentialet til at åbne op for en helt ny forskningslinje i studiet af materialedeformation.

Når materialer strækkes lidt, de udvider sig, og når udstrækningen stopper, de vender tilbage til deres oprindelige størrelse. Imidlertid, hvis et materiale bliver strakt meget, de vender ikke længere tilbage til deres oprindelige størrelse. Denne overstrækning omtales som 'plastisk' deformation. Materialer, der er begyndt at blive plastisk deformerede, opfører sig anderledes, når de strækkes endnu mere, og klikker til sidst i to. Nogle materialer - inklusive de lette aluminiumslegeringer, der bruges i højteknologiske applikationer som biler og fly - begynder at deformeres uforudsigeligt, når de bliver plastisk deformeret. Det specifikke problem, forskerne var interesserede i at løse, kaldes Portevin-Le Chatelier (PLC) -effekten, hvor bånd af deformation i materialet bevæger sig, når det bliver strakt. Bevægelsen af ​​disse bånd forårsager den uforudsigelige deformation, og forskere ønskede at udvikle en bedre forståelse af, hvordan de bevægede sig, for bedre at kunne forudsige, hvordan disse materialer ville deformeres. "Der var modeller for, hvordan disse materialer deformerede, " sagde professor Mikko Alava, leder af forskningsgruppen hos Aalto, "men indtil nu, de var ikke særlig nyttige."

For at udvikle den nye model, forskerne brugte meget højhastighedskameraer, belyst ved hjælp af laserlys, at fotografere prøverne. Når de har indsamlet disse data, de var i stand til at se, hvilke teoretiske modeller der passede til dataene. De fandt ud af, at en model for magneters opførsel, kaldet ABBM -modellen, kunne bruges til at forudsige materialernes opførsel, da de deformerede rigtig godt. ABBM -modellen er veletableret inden for materialevidenskab til beskrivelse af ændringen af ​​magnetisering i magneter. "Kunsten bag teorien i dette arbejde var at indse, hvilke parametre i materialet, der stemte overens med parametrene i en udviklet version af ABBM-modellen, " sagde professor Alava, "og så ved at indsamle den store mængde data, som vi gjorde, vi var i stand til at vise, hvordan modellen kunne bruges til at forudsige deformation i disse materialer." Resultaterne er publiceret i Videnskabens fremskridt .

"Indtil nu har tidsopløsningen af ​​eksperimenterne ikke været tilstrækkelig til sammenligning med denne type model, " sagde Tero Mäkinen, ph.d.-kandidat med hovedansvaret for studiet. "Bevægelsen af ​​deformationsbåndene er tidligere blevet undersøgt, især i det materialevidenskabelige samfund, men man skal virkelig se de fine detaljer for at kunne vise, at båndene opfører sig - i en vis forstand - på samme måde som magneter. "

"Det er ret bemærkelsesværdigt, at to fænomener, som tilsyneladende er så forskellige - ændring af magnetisering i magneter og udbredelse af deformationsbånd i legeringer - kan beskrives med det samme, simpel statistisk fysik model, siger lektor Lasse Laurson fra Tampere Universitet, der deltog i undersøgelsen.

Forskningen har været længe undervejs. "Jeg kom først med den generelle idé omkring 2015, "forklarer professor Alava, men nu hvor modellen har vist sig at gælde for PLC-effekten i aluminiumslegeringer, gruppen er interesseret i at teste, om det gælder for et bredere udvalg af metallegeringer. "Der er flere forskellige typer PLC-bånd, der kan eksistere i materialer, vi har vist det for én type, og nu vil vi se, om det gælder dem alle."