Pęknięcia i wady są wszechobecne. Tworzą się one w wyniku eksploatacji elementu i spowodowane są wzrostem naprężeń. Dobrym przykładem są konstrukcje mostów, rurociągi czy nawet urządzenia medyczne albo skrzydła samolotów. Przewidywanie, kiedy i w jaki sposób powstają pęknięcia, jest kluczowym wyzwaniem w inżynierii i badaniach materiałowych. Ostatnie prace wykorzystujące fizykę statystyczną ujawniły nowy sposób opisywania, w jaki sposób pęknięcia strukturalne rozprzestrzeniają się. Rozwiązuje to wieloletni paradoks w mechanice pękania i może poprawić niezawodność i trwałość wszystkich elementów narażonych na powstawanie pęknięć i wad.

W praktyce materiały poddawane są ciągłym obciążeniom statycznym lub okresowym dynamicznym. Obciążenia statyczne – na przykład w infrastrukturze stacjonarnej, takiej jak budynki – mogą powodować powolne odkształcenia pełzające, a obciążenia dynamiczne – takie jak w maszynach obrotowych lub konstrukcjach lotniczych – prowadzą do zmęczenia materiału. W takich materiałach pęknięcia rozwijają się w trakcie ich eksploatacji, przez wiele cykli.

„Pęknięcia spowodowane zmęczeniem materiału rosną szybciej, gdy naprężenie zmniejsza się między cyklami. Od lat ten paradoks zastanawiał inżynierów, ponieważ bardziej intuicyjne jest zjawisko, w którym naprężenia występujące bez przerw powodują szybszy wzrost pęknięć” – wyjaśnia główny autor pracy Tero Mäkinen.

Mäkinen, wraz z członkami zespołu z NOMATEN CoE w NCBJ i Aalto University w Finlandii wykazali, że pęknięcia nie rosną równomiernie, lecz w sposób przerywany, pokonując mikroskopijne bariery wewnątrz materiału. To spostrzeżenie, zaczerpnięte z fizyki statystycznej, w połączeniu z nową skalą długości odkrytą w badaniach opisujących procesy zachodzące w materiale tuż przed postępującym uszkodzeniem, pomaga wyjaśnić ten paradoks.

„Praca ta stanowi brakujące ogniwo między empirycznymi modelami zmęczenia materiału, a teoriami pęknięć opartymi na fizyce. Stworzyliśmy eksperymentalnie mierzalną skalę długości, która odzwierciedla przebieg plastyczności materiału i efekty zamykania pęknięć. Oznacza to, że możemy teraz lepiej przewidywać pojawienie się uszkodzeń materiału, co pozwoli ulepszyć sposoby projektowania nowych materiałów” – opowiada profesor Mikko Alava z NOMATEN CoE.

Badania te pozwoliły na nowo opisać wzrost pęknięć w rzeczywistych materiałach, w tym w podstawowych materiałach budowlanych i inżynieryjnych, takich jak stal, aluminium i tytan.

„Wyniki mogą prowadzić do dokładniejszych prognoz żywotności w branżach, w których zapobieganie awariom ma kluczowe znaczenie, w tym w lotnictwie, inżynierii lądowej i wodnej oraz urządzeniach medycznych” – podsumowuje Mäkinen.

Wyniki badań opublikowano właśnie w czasopiśmie Physical Review Letters:

Tero Mäkinen, Lumi Tuokkola, Joonas Lahikainen, Ivan V. Lomakin, Juha Koivisto, and Mikko J. Alava, „Crack Propagation by Activated Avalanches during Creep and Fatigue from Elastic Interface Theory”, Phys. Rev. Lett. 134, 098202, DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.098202