Причина, по которой большинство конструкций выходит из строя, заключается не в некачественном материале или сильном ударе. Это нечто гораздо более простое, меньшее и даже скучное: длительная малоамплитудная усталость.

Механизмы, лежащие в основе и внутри этой медленной усталости, трудно поддаются изучению. Они буквально прячутся в щелях.

Исследовательская группа под руководством Дерека Уорнера, профессора гражданской и экологической инженерии в Инженерном колледже, совершила прорыв в понимании того, как разрушаются некоторые материалы. Используя атомное моделирование, исследователи определили механизм, вызывающий рост усталостных трещин: дефект или дислокация в структуре, которая начинается у вершины трещины, удаляется от нее, а затем возвращается в несколько другое место.

Открытие может помочь инженерам лучше прогнозировать поведение материала и разрабатывать новые сплавы, устойчивые к усталости.

Статья группы «Атомный механизм роста околопороговой усталостной трещины в вакууме» опубликована 10 февраля в Nature Communications . Ведущий автор — докторант Минцзе Чжао.

Проект вырос из другой усталости, более научной, чем механической. В течение нескольких лет Чжао и соавтор статьи Вэньцзя Гу, доктор философии. 21 года, были сбиты с толку проблемой. Когда они повторили предыдущие атомистические симуляции роста трещин, они обнаружили, что если они позволяют симуляциям работать достаточно долго, после примерно 20 циклов нагрузки, трещины перестают расти.

«Мы сказали: о, о, что мы делаем не так? Что-то выходит из строя из-за усталости, и это потому, что трещины продолжают расти. Мы застряли с моделью, которая на самом деле не могла смоделировать физическую вещь, которую мы планировали», — сказал Уорнер. «Мы просмотрели литературу других людей, которые занимались атомарным моделированием роста трещины, и вся литература была ограничена десятками циклов. На самом деле никто не занимался моделированием сверх этого».

Одна из проблем с компьютерным моделированием заключается в том, что они используют гораздо меньшие механические нагрузки и более короткую продолжительность, потому что у большинства исследователей недостаточно времени или вычислительной мощности, чтобы соответствовать реальным экспериментам.

Поэтому группа Уорнера приступила к созданию серии симуляций конструкционного сплава, похожего на сталь или алюминий, в вакууме. Каждая симуляция вставляла другой искусственный механизм, который мог спровоцировать движение трещин, как в реальном мире.

В одном моделировании основное внимание уделялось необратимости, т. е. дефектам разрешалось удаляться только от трещины. Второе моделирование добавило новые источники дефектов. В третьем моделировании множественные дефекты были объединены в так называемую «постоянную полосу скольжения», которая представляет собой форму локализованной деформации, и рядом с ней появилась трещина.

Каждый раз трещина отказывалась сдвигаться с места.

В четвертом моделировании удалось добиться распространения трещины после того, как команда поняла, что дефекты должны более тесно взаимодействовать с вершиной трещины, чтобы атомные связи разорвались.

«Усталостные разрушения — очень распространенное явление, но на самом деле никогда не было ясно, что происходит в вершине трещины», — сказал Уорнер. «Вам нужно, чтобы эти дефекты, эти дислокации возвращались в несколько ином месте, чем то, откуда они ушли.

Хотя моделирование объясняет механический механизм, лежащий в основе усталостных трещин , остается открытым вопрос о том, какую роль играет окружающая среда в их росте.

Группа Cornell Fracture Group теперь заинтересована в том, чтобы выяснить, как дислокации могут быть направлены в разные места и как нагрузка может повлиять на процесс. Уорнер также видит возможность использовать это новое понимание длительной усталости и применить его к разработке материалов, которые исторически были сосредоточены на том, какую нагрузку материал может выдержать или насколько он может растянуться, прежде чем он выйдет из строя.

«Я думаю, что из-за отсутствия фундаментального понимания того, как возникает усталость, разработка новых сплавов и конструкционных материалов была сосредоточена на прочности и пластичности, а не на усталости», — сказал Уорнер. «Поэтому мы действительно хотим связать этот фундаментальный процесс с рассчитываемыми и настраиваемыми свойствами материала, чтобы открыть новые пути для создания материалов, устойчивых к усталости».