Wspólnotowy Serwis Informacyjny Badan i Rozwoju - CORDIS

Rozwikłanie zagadki uszkodzeń materiałów niejednorodnych

Choć nowe materiały umożliwiły tworzenie urządzeń zdolnych do realizacji coraz bardziej złożonych zadań, zapewnienie ich trwałości wciąż stanowi wyzwanie. Koncepcje teoretyczne opracowane w ramach projektu w celu opisania uszkodzeń niejednorodnych ciał stałych mogą przyczynić się do bardziej racjonalnego projektowania materiałów o ulepszonych właściwościach mechanicznych.
Rozwikłanie zagadki uszkodzeń materiałów niejednorodnych
Koncepcje mechaniki ośrodków ciągłych, które stanowią fundament obecnej teorii pęknięć nie uwzględniają zasadniczej roli, jaką odgrywają materiały niejednorodne. Jednak uszkodzenie materiału jest rezultatem złożonej wzajemnej zależności między obciążeniami wynikającymi z naprężeń nadanymi w wielkiej skali oraz postępującego uszkadzania mikrostruktury materiału w małej skali.

W ramach finansowanego przez UE projektu TOUGHBRIDGE (Bridging microstructural to macroscopic properties in failure of heterogeneous materials) naukowcy wzbogacili klasyczną teorię mechaniki powstawania pęknięć o koncepcje pochodzące z fizyki statystycznej. Zgodnie z tym podejściem uszkodzenie makroskopowe pojawia się w wyniku wspólnej reakcji obszaru uszkodzenia, który powiększa się w skali mikrostrukturalnej.

Badacze wykazali, że wzajemna zależność między nieuporządkowaniem materiału a zmianą rozmieszczenia naprężeń po wystąpieniu uszkodzenia odgrywa zasadniczą rolę w kontrolowaniu właściwości uszkodzenia ciał stałych. Idąc tym tropem, przystąpili do tworzenia modeli zdolnych do wychwycenia reakcji pęknięcia materiałów na podstawie znajomości ich niejednorodnej mikrostruktury. Te nowe koncepcje teoretyczne powstały dzięki liczbowemu i doświadczalnemu badaniu uszkodzeń w niejednorodnych ciałach stałych o prostej i kontrolowanej mikrostrukturze. Do swoich eksperymentów badacze musieli zaprojektować nowe struktury i opracować nowe metody obserwacji, dzięki którym mogliby śledzić pęknięcia rozchodzące się w materiałach w małej skali długości i czasu. W stosunku do zebranych danych pierwotnych badacze zastosowali podejście statystyczne, aby móc lepiej zrozumieć fizykę i mechanikę uszkodzenia. Na koniec nowe podejścia teoretyczne opracowane w ramach projektu w celu opisania przejścia materiału do stanu uszkodzenia skonfrontowano z obserwacjami doświadczalnymi i przetestowano je w ich kontekście.

Podsumowując, okazało się, że nowe metody zdolne są do sprawnego prognozowania uszkodzeń oraz odporności dużego przedziału materiałów. W istocie badaczom udało się z powodzeniem zastosować je do oszacowania właściwości uszkodzeń niejednorodnych materiałów kruchych, które pękają w wyniku rozchodzenia się pojedynczej rysy lub materiałów quasi-kruchych, które pękają poprzez rozchodzenie się zbioru mikrorys.

Oprócz tego, że badaczom udało się zgłębić tajniki pęknięć, prace przeprowadzone w ramach projektu TOUGHBRIDGE doprowadziły do nowych sposobów projektowania materiałów o ulepszonych właściwościach mechanicznych. Koncepcję "zaprojektowanego uszkodzenia" zastosowano w produkcji niejednorodnych cienkich warstw o nowych właściwościach przyczepnych. Kolejnym krokiem jest zaprojektowanie odporniejszych i lżejszych niejednorodnych ciał stałych, z uwzględnieniem najnowszych postępów w dziedzinie technik wydruku 3D, które umożliwiają pełną kontrolę nad architekturą materiału. Nowe podejście do projektowania odporniejszych materiałów stwarza wiele interesujących perspektyw dla zastosowań technologicznych.

Powiązane informacje

Słowa kluczowe

Pęknięcie, materiały niejednorodne, mikrostruktura, rysa, kruche ciała stałe, quasi-kruche ciała stałe, TOUGHBRIDGE
Śledź nas na: RSS Facebook Twitter YouTube Zarządzany przez Urząd Publikacji UE W górę