Uutiset

Tutkijat ratkaisivat halkeamien mysteerin – parantaa yleisten rakennusmateriaalien kestävyyttä

Tutkijat onnistuivat selvittämään insinöörejä vaivanneen paradoksin: miksi materiaalien halkeamat etenevät nopeammin, kun jännitys pääsee välillä vapautumaan
Kaksi kuvaa halkeilleesta seinästä, vasen vaaleanharmaa ja oikea tummanharmaa.
Kuva: Margot Lepetit/Aalto-yliopisto.

Halkeamia ja murtumia esiintyy kaikkialla, aina lentokoneiden osista rakennuksiin, siltoihin tai lääketieteellisiin laitteisiin. Niiden ennakointi, eli miten ja milloin ne syntyvät ja kasvavat on yksi insinööritieteiden suurista haasteista.  Ratkaisu ongelmaan voi taas parantaa materiaalien, komponenttien ja rakenteiden kestävyyttä merkittävästi. 

Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan laitoksen tutkijat ovat nyt löytäneet uuden tavan kuvata rakenteellisten halkeamien etenemistä tilastollisen fysiikan avulla. Havainto ratkaisee fyysikoita pitkään askarruttaneen paradoksin ja auttaa parantamaan monien teknisten materiaalien luotettavuutta ja kestävyyttä. Tutkimus on juuri julkaistu Physical Review Letters -lehdessä: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.098202.

Materiaalit altistuvat joko staattiselle tai jaksoittaiselle rasitukselle.  Esimerkiksi rakennukset joutuvat staattisen rasituksen kohteeksi ja se  aiheuttaa halkeamia pitkällä aikavälillä. Toisaalta vaikka pyörivissä laitteissa tai lentokoneiden osissa halkeamia aiheuttaa jaksoittainen rasitus. 

“Väsymismurtumat kasvavat nopeammin, kun rasitus helpottaa välillä. Tämä on ihmetyttänyt insinöörejä jo pitkään, sillä intuitiivisesti voisi ajatella, että juuri jatkuva jännitys nopeuttaisi halkeamien kasvua”, sanoo tutkijatohtori Tero Mäkinen.

Mäkisen ja Complex Systems and Materials -tutkimusryhmän havaintojen mukaan halkeamat eivät kuitenkaan kasva tasaisesti, vaan etenevät ajoittaisina ryöpsähtämisinä, kun ne tuhoavat mikroskooppisen pieniä esteitä materiaalien sisällä. Tilastollisen fysiikan avulla tutkijat kehittivät lisäksi uuden asteikon, jolla voidaan kuvata materiaalissa tapahtuvia muutoksia juuri ennen halkeamista.

”Tutkimuksemme yhdistää empiiriset väsymismallit ja fysiikkaan perustuvat murtumisteoriat. Kehitimme kokeellisesti mitattavan asteikon, joka kuvaa tarkasti materiaalin muutoksen etenemistä ja halkeamien vaikutuksia. Tulostemme avulla voi paremmin ennustaa halkeamien syntymistä ja näin parantaa materiaalien suunnittelua”, sanoo professori ja ryhmänjohtaja Mikko Alava.

Löydön myötä esimerkiksi rakennusmateriaaleina usein käytettyjen teräksen, alumiinin ja titaanin halkeamia voidaan ennakoida aiempaa tarkemmin.

“Tulokset voivat parantaa käyttöiän ennustamista aloilla, joilla turvallisuus on kriittistä – kuten vaikkapa ilmailuteollisuudessa, rakentamisessa ja lääkinnällisten laitteiden valmistuksessa,”, Mäkinen sanoo.

Tutkimuksessa käytettiin apuna Aallon Science-IT-laskentaprojektia, ja sen rahoitti Suomen Akatemia.

Lisätietoja:

Complex Systems and Materials (CSM)

Applies statistical physics to a wide variety of cross-disciplinary topics.

Department of Applied Physics
Piece of code on the computer screen, colourful text

Science-IT

Science-IT vastaa laskennallisen tieteen infrastruktuurista Aalto-yliopistossa. Hankkeen vetovastuu on Perustieteiden korkeakoulussa.

Palvelut
  • Päivitetty:
  • Julkaistu:
Jaa
URL kopioitu

Lue lisää uutisia

Ilmakuva kaarevasta tiilikampusrakennuksesta, poluista, puista ja järvestä usvaisessa valossa
Nimitykset, Mediatiedotteet, Yliopisto Julkaistu:

Etsimme uutta rehtoria

Aalto-yliopisto on enemmän kuin työpaikka. Se on avoin yhteisö, joka rakentaa kestävää tulevaisuutta seuraaville sukupolville.
Harvoja mäntyjä avoimella suolla kirkkaan taivaan alla, metsälinja taustalla
Mediatiedotteet Julkaistu:

Pohjoisen pallonpuoliskon suot muuttuvat: Satelliittitutkimus paljastaa selviä alueellisia eroja

Yli 20 vuoden satelliittiseuranta osoittaa, että kasvillisuus on vihertynyt 77 prosentilla pohjoisen pallonpuoliskon suoalueista. Monilla alueilla vihertyminen on kuitenkin kääntynyt sittemmin laskuun. Muutoksia selittävät etenkin kosteusolot, puusto ja pitkän aikavälin ilmastovaihtelu.
Abstraktia violettia energiaa ja salamia hehkuvan piirilevyn yllä, kirkas valo keskellä
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Mitä on kvanttiteknologia?

Moni nykyajan laite ei olisi olemassa ilman kvanttiteknologiaa, mutta huimimmat sovellukset vasta siintävät horisontissa.
Hymyilevä suorahiuksinen nainen vihreässä paidassa, sisällä kasvien edessä
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Kvanttihypen anatomia

Väitöskirjatutkija Christa Schauman kertoo, miten Suomi ja Eurooppa pärjäävät kisassa, johon kaikki haluavat mukaan – palkinnon epävarmuudesta huolimatta.