Väitös teknillisen fysiikan alalta, FM Juha Savolainen

Väitöskirjan nimi: Elastic interfaces in disordered media and their application to fatigue fractures

Tohtoriopiskelija: Juha Savolainen
Vastaväittäjä: Prof. Eduard Vives Santa-eulalia, University of Barcelona, Espanja
Kustos: Prof. Mikko Alava, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu, teknillisen fysiikan laitos

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 10 päivää ennen väitöstä): https://aaltodoc.aalto.fi/doc_public/eonly/riiputus/

Kappaleiden murtumista toistuvassa rasituksessa kutsutaan väsymiseksi. Väsymiseen liittyy usein hitaasti ja huomaamattomasti kasvava särö, joka lopulta yhtäkkiä halkaisee koko esineen tai rakenteen. Tilastollisessa fysiikassa hidasta säröjen kasvua on tutkittu viime vuosikymmeninä käyttäen joustavina rajapintoina tunnettua mallia. Väitöstyössä tutkitaan voiko tätä mallia soveltaa väsymismurtumiin. 

Työ jakautuu kolmeen osaan. Kaksi niistä koskee Parisin-Erdoganin lakina tunnettua kokeellista havaintoa, joka kuvaa väsymismurtumien kasvunopeutta ennen lopullista nopeaa repeämistä. Ensin tutkimme kokeellisesti väsymismurtumia. Seurasimme kameralla koemateriaaleissa kasvaneita säröjä ja tarkastelimme millaista tilastollista jakaumaa särön nytkähdykset eteenpäin noudattivat. Jakauma oli samanlainen eri nopeuksilla kulkeville säröille, eikä vastannut aiempia kirjallisuudesta löytyneitä jakaumia. Lisäksi tutkimme teoreettisesti väsymismurtumien yhteyttä joustavien rajapintojen malliin. Vaikka mallia on pitkään käytetty säröille tasaisessa rasituksessa, on se selvästi ristiriidassa toistuvassa rasituksessa kasvaviin väsymismurtumiin. Ero on siis siinä, rasittaako materiaalia koko ajan sama kuorma, vai otetaanko kuorma välillä pois. Havaitsimme mallin toimivan huomattavasti paremmin väsymismurtumille, mikäli eräät aiemmissa tutkimuksissa havaitut materiaalivakiot ovatkin eri arvoisia kuin on luultu. 

Työn kolmas osa tarkastelee rajapintamallia itsessään sekä sen avulla satunnaisliikettä ja häiriöisiä signaaleja. Kokeellisissa mittauksissa on tapana jättää pienimmät signaalit huomioimatta, sillä niitä on hankala erottaa taustakohinasta. Satunnaisliikkeessä kuitenkin yksittäiset tapahtumat voivat sisältää sekä isoja että pieniä signaaleja, ja aiemmin onkin havaittu, että jos pienten signaalien sulkeminen pois muuttaa jäljelle jääviä tapahtumia. Jatkoimme aiemmasta työstä ja huomasimme monen erilaisen tapahtumia kuvaavan jakauman muuttuvat pieniä signaaleja suodattaessa. Tutkimme lisäksi joustavien rajapintojen mallin väitettyä yhteyttä seismologiaan. Lukuisissa tutkimuksissa on havaittu mallin tapahtumien noudattavan samanlaisia tilastollisia jakaumia kuin maanjäristysten. Havaitsimme tämän olevan tilastollinen virhe. Huomasimme kuitenkin, että jos keskitytään vain isoimpiin signaaleihin datassa, alkaa se noudattaa enemmän seismologisia malleja.

Yhteystiedot

Perustieteiden korkeakoulun väitöskirjat: https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/52