Исследователи из Токийского университета показали, что для аморфных материалов циклическая усталость материала может начать разрушаться при том же уровне напряжения, что и разрушение из-за постоянной нагрузки. Используя компьютерное моделирование, команда смогла выделить четыре различных режима отказа. Эта работа может увеличить срок службы промышленного оборудования.
Повреждение промышленных деталей дорого обходится, приводит к задержкам и может быть небезопасным для рабочих предприятия. Но теперь ученые из Японии смоделировали разрушение, инициированное в материалах, которые имеют определенные физические характеристики и широко используются в быту, промышленности и науке. Их работа, опубликованная в Communications Materials , показала удивительные результаты, которые могут помочь предотвратить повреждение промышленных деталей.
Если вам когда-либо было скучно на собрании, и вы пробовали играть с металлической скрепкой, чтобы скоротать время, возможно, вы заметили кое-что удивительное. Хотя скрепка сначала становится гибкой и несколько раз возвращается к своей первоначальной форме, она может внезапно сломаться после достаточного количества циклов. Это пример « усталости », при которой трещины и дефекты образуются по мере того, как объект подвергается циклическому нагружению и снятию напряжения. Усталость материала является серьезной проблемой во многих промышленных приложениях, особенно для деталей машин или самолетов, которые подвергаются многочисленным циклам нагрузки и для которых внезапный отказ может иметь катастрофические последствия. В результате лучшее понимание лежащего в основе процесса усталости материала может дать значительные преимущества, особенно для некристаллических материалов.
Группа исследователей из Института промышленных наук Токийского университета изучила физические механизмы малоциклового усталостного разрушения в случае аморфных твердых тел, таких как стекло или пластик, с помощью компьютерного моделирования . Для кристаллических материалов было показано, что ранее существовавшие дефекты и границы зерен могут инициировать разрушение из-за усталости.
Однако соответствующий механизм в аморфных материалах изучен недостаточно. Хотя кажется интуитивным, что напряжение, необходимое для возникновения разрушения, намного меньше для циклических напряжений по сравнению с постоянным напряжением , это было не то, что обнаружили ученые. «Вопреки распространенному мнению, мы показали, что критическая деформация в неупорядоченных материалах, которая соответствует началу необратимой деформации, одинакова как для усталостного, так и для монотонного разрушения », — говорит соавтор Юдзи Куротани.
Это связано с тем, что для обычных аморфных систем более высокая плотность приводит к большей эластичности и более медленной динамике. Эта зависимость механических свойств от плотности связывает деформацию сдвига с флуктуациями плотности. Затем циклический сдвиг может усиливать колебания плотности до тех пор, пока образец не разрушится из-за кавитации, в которой образуются пустоты.
«Эта ситуация похожа на переполненный поезд», — говорит соавтор Хадзиме Танака. «Динамическая и упругая асимметрия по отношению к изменениям плотности может привести к связи между сдвиговой деформацией и колебаниями плотности ». Эти авторы отмечают, что эти результаты должны быть подтверждены экспериментами, которые также помогут ученым-материаловедам лучше понять возникновение трещин.
