Uutiset

Suurnopeuskamera paljastaa, mitä tapahtuu metallin venyessä ja murtuessa

Tutkimuksesta on hyötyä auto- ja ilmailuteollisuudessa käytettävien metalliseosten kehittämisessä.
A metal sample clamped in a tension machine, being photographed by a high speed camera
Metallinäytettä venytetään murtumispisteeseen saakka, ja samalla sitä kuvataan laservalolla ja suurnopeuskameroilla. Kuva: Tero Mäkinen.

Metalliseosten suunnittelussa ja valinnassa on tärkeää tietää, miten ne käyttäytyvät rasituksessa. Aalto-yliopiston ja Tampereen yliopiston tutkijat kuvasivat suurnopeuskameralla mitä tapahtuu, kun alumiiniseoksesta valmistettuja kappaleita venytetään aina murtumispisteeseen saakka. Tulokset julkaistiin juuri Science Advances -lehdessä.

Tutkimuksen tulokset voivat avata uusia uria materiaalitutkimukseen ja niistä voi olla hyötyä esimerkiksi auto- tai ilmailuteollisuudessa käytettävien metalliseosten kehittämisessä. Erityisesti tiettyjen materiaalien, kuten autoissa ja lentokoneissa käytettävien kevyiden alumiiniseosten, muoto muuttuu rasituksessa arvaamattomasti.

”Kun autonkoreja prässätään alumiinista, tulee lopputuloksen kuitenkin olla tasainen”, sanoo tohtorikoulutettava Tero Mäkinen Aalto-yliopistosta.

Kun materiaalia venytetään kevyesti, se joustaa. Kun venytys lopetetaan, materiaali palautuu alkuperäiseen muotoonsa. Jos venytystä jatketaan, kappaleessa tapahtuu pysyvä plastinen muodonmuutos eli se ei enää palaudu alkuperäiseen muotoonsa. Venytyksen jatkuessa ja materiaalin muuttaessa muotoaan se ennen pitkää murtuu.

Venymänauhat avuksi ennustamisessa

Tutkimuksessa keskityttiin erityisesti plastisen muodonmuutoksen epävakausilmiöön, jota kutsutaan Portevin–Le Chatelier (PLC) -efektiksi. Näyte venyy epätasaisesti, ja nauhamaisia alueita, jotka venyvät enemmän kuin toiset, kutsutaan venymänauhoiksi.

Deformation bands passing through a metal sample
Näytteen pinnalla on havaittavissa venymänauhoja, kun materiaali on muuttamassa muotoaan. Tutkijat pystyivät havainnoimaan nauhojen liikettä laservalon ja suurnopeuskameroiden avulla.

”Tavoitteena oli ymmärtää, kuinka nauhat liikkuvat, sillä nauhojen liikkeen perusteella voimme ennustaa, miten materiaali muuttaa muotoaan. Olemassa olevat PLC-efektiä kuvaavat teoreettiset mallit eivät tekemiemme kokeiden perusteella olleet kovinkaan hyödyllisiä. Halusimme kuvata ja mitata ilmiötä aiempaa tarkemmin”, kertoo professori Mikko Alava Aalto-yliopistosta.

Muodonmuutosta kuvaavia teoreettisia malleja ei ole voitu aikaisemmin vertailla keskenään, koska mittauksissa ei ole saatu tarpeeksi tarkkaa dataa materiaalissa tapahtuvista muutoksista. Nyt tutkijat kuvasivat näytteitä laservalon ja suurnopeuskameroiden avulla ja vertasivat kerättyä, mittavaa data-aineistoa erilaisiin teoreettisiin malleihin. He havaitsivat, että materiaalitieteen alalla vakiintunut magnetisaation muutosten kuvaamiseen käytetty malli kykeni hyvin tarkasti ennustamaan materiaalin käyttäytymistä ja nauhojen liikettä plastisen muodonmuutoksen aikana. Siitä, miten nopeasti nauhat etenivät ja miten paljon nopeus vaihteli, tutkijat pystyivät ennustamaan tarkasti, millaiseen muotoon materiaali muuttui.

”Suurnopeuskamera kuvaa näytettä suurella nopeudella, yli tuhat kuvaa sekunnissa, ja siksi sen avulla on mahdollista seurata venymänauhan liikettä. PLC-nauhojen liikkeitä on tutkittu aiemminkin erityisesti materiaalitieteen alueella, mutta pienimmätkin yksityiskohdat on saatava esiin, jotta voidaan havaita nauhojen käyttäytyvän magneettien lailla”, kertoo Tero Mäkinen.

”On yllättävää, että sama magnetisaation muutosten kuvaamiseen käytetty yksinkertainen tilastollinen malli soveltuu kahden näennäisesti hyvinkin erilaisen ilmiön kuvaamiseen. Sillä pystytään kuvaamaan tarkkaan myös muotoaan muuttavan materiaalin paikallista venymistä”, sanoo Tampereen yliopiston tenure track -professori Lasse Laurson.

Tutkimuksen avulla voidaan ennustaa tarkasti alumiiniseosten muodonmuutoksia, mutta soveltuuko se myös muihin metalliseoksiin?

”Metalleissa voi olla useita erityyppisiä PLC-nauhoja. Nyt kun olemme todentaneet mallimme soveltuvuuden yhdelle tyypille, haluamme selvittää, soveltuisiko se niihin kaikkiin”, Alava kertoo.

Lisätietoja:

Tutkimusartikkeli: Propagating bands of plastic deformation in a metal alloy as critical avalanches, Science Advances, DOI: https://dx.doi.org/10.1126/sciadv.abc7350 

Mikko Alava
Professori
Aalto-yliopisto, Teknillisen fysiikan laitos
[email protected]
p. 050 413 2152

Lasse Laurson
Tenure track -professori
Tampereen yliopisto, Laskennallisen fysiikan laboratorio
[email protected]
p. 050 545 5387

  • Julkaistu:
  • Päivitetty:
Jaa
URL kopioitu

Lue lisää uutisia

Illustration image on a sunny day as the sun is setting, of Otakaari 2A, the lights in the building are lit and there are blurry images of people walking around. Grass and trees are green.
Kampus, Mediatiedotteet, Yliopisto Julkaistu:

Uudisrakennus Marsio on näyteikkuna Aalto-yliopiston tutkimukseen, opetukseen ja vaikuttavuuteen

Kilpailun kautta valittu nimi on kunnianosoitus Aino Marsio-Aallolle.
FinnFusion is a collaboration aiming to make fusion energy a reality. Photo: VTT.
Yhteistyö, Mediatiedotteet, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Aallon tutkijat tuovat heliumplasmakokeilla fuusioenergiaa lähemmäksi todellisuutta

Aalto-yliopiston tutkijat osallistuvat kansainväliseen projektiin, jonka tavoitteena on tukea fuusioenergian kehittämistä.
Vehnänjyviä
Mediatiedotteet Julkaistu:

Miljardille ihmiselle vapautuisi ruokaa, jos maatalouden sivuvirtoja kierrätettäisiin tuotantoeläinten rehuksi

Aalto-yliopiston tutkijat osoittivat, että ruokaa riittäisi jopa 13 prosenttia suuremmalle väestölle, jos tuotantoeläinten rehuna käytettäisiin enemmän maatalouden sivuvirtoja.
A satellite image of Borneo and part of Malaysia covered by plumes of smoke from fires. The many fires are marked on the map as red dots.
Mediatiedotteet Julkaistu:

Tutkijat osoittivat tekoälyn avulla: Turvesuopalojen riski kutistuu jopa neljännekseen maankäytön muutoksilla

Pahimpina vuosina Kaakkois-Aasian turvesuopalot aiheuttavat 30 prosenttia maailman hiilidioksidipäästöistä. Maankäyttö on tasapainottelua uhkien, hyötyjen ja kustannusten välillä, sanovat Aalto-yliopiston tutkijat.