В пластичных металлах усталостные трещины возникают в виде небольших микроструктурных коротких трещин, которые постепенно растут с увеличением числа циклов нагружения. Хотя стадии роста трещин посвящено множество исследований, переход от металла без трещин к металлу с трещинами остается одной из самых сложных тем при изучении усталости металла.
Зарождение микротрещин в пластичных металлах является следствием возвратно-поступательного движения дислокаций при циклическом нагружении, что приводит к самоорганизации дислокаций в структуры с дальним упорядочением. Дислокации возникают из-за неправильного расположения атомов в кристаллических материалах, и их движение приводит к пластической деформации.
Согласно новому исследованию, опубликованному в журнале Science, открыт новый способ тестирования металлов в микроскопическом масштабе: производить ускоренные нагрузки к материалам и одновременно проводить анализ превращения повреждений в трещины.
Разрушение металлических детали в мостах, самолетах и других конструкциях приводит к трагедиям. В исследовании Университета Джона Хопкинса описывается новый метод надежного прогнозирования уязвимостей на более ранних стадиях разрушения, чем это можно сделать в предыдущих тестах.
«Теперь мы можем иметь более фундаментальное понимание того, что приводит к трещинам», - сказал Эль-Авади, один из авторов исследования. «Практическое значение состоит в том, что это позволит нам понять и предсказать, когда или как материал выйдет из строя».
«Усталостные отказы поражают все металлы, и их уменьшение имеет большое значение», - добавил Эль-Авади. «Это основная причина трещин в металлических компонентах самолетов».
Вот почему авиационная отрасль должна подчиняться регулярным (и дорогостоящим) графикам замены множества деталей. Но срок службы каждого компонента можно точнее спрогнозировать, если точно изучить процесс о возникникновения трещин. Французские следователи призвали провести анализ конструкции Airbus A380 - чтобы изучить способность компании принимать меры предосторожности против риска усталости металла.
«Из-за отсутствия понимания механизмов, которые приводят к возникновению трещин, было трудно предсказать с какой-либо разумной точностью оставшийся срок службы циклически нагружаемого материала», - сказал Эль-Авади. «Компонент действительно может быть в порядке и никогда не выходить из строя, но его все равно выбрасывают, исключительно на основании статистических аргументов. Это огромные затраты».
Большинство современных тестов для выявления причин возникновения трещин обычно сосредоточены на моментах непосредственно до и после возникновения трещин - чтобы увидеть, как изменяется состав металла.
