Прыжок в бассейн с высоты нескольких футов позволяет войти в воду плавно и безболезненно, но прыжок с моста может привести к смертельному исходу. Вода в каждом случае одинакова, так почему же эффект от удара о ее поверхность такой разный?
Этот, казалось бы, основной вопрос лежит в основе сложного исследования, проведенного группой из Департамента ядерной науки и техники Массачусетского технологического института (NSE), которая изучала, как материалы реагируют на нагрузки, включая удары. Выводы могут в конечном итоге помочь объяснить такие разнообразные явления, как разрушение бетона при внезапном напряжении и эффекты коррозии на различных металлических поверхностях.
Используя комбинацию компьютерного моделирования и экспериментальных тестов, исследователи изучили один конкретный тип напряжения - в дефекте, называемом винтовой дислокацией, - в одном типе материала, кристаллической решетке железа. Но основное объяснение, по словам исследователей, может иметь широкое значение для многих видов напряжений в самых разных материалах.
Исследование, проведенное докторантом Юэ Фаном, адъюнкт-профессором Бильге Йилдиз и почетным профессором Сидни Йип, опубликовано на этой неделе в журнале Physical Review Letters.
По сути, команда проанализировала, как прочность материала может увеличиваться довольно резко по мере увеличения скорости деформации, приложенной к материалу. Это изменение скорости растрескивания или изгиба материала, называемое повышением текучести, наблюдалось экспериментально в течение многих лет, но лежащий в его основе механизм так и не был полностью объяснен, говорят исследователи.
«Формулировка не специфична для этого конкретного дефекта», - объясняет Йылдыз. Скорее, она и ее коллеги выяснили, что они считают набором общих принципов. «Мы доказали, что это работает в этой системе», - говорит она.
«Есть последствия, которые выходят за рамки дислокаций, даже за пределы кристаллов», - добавляет Ип. Но прежде чем продолжить работу - над чем команда работает сейчас - исследователи должны были доказать принцип, применив его к конкретному случаю, в данном случае к винтовой дислокации в железе. В то время как другие исследователи анализировали поведение, связанное с определенными видами дефектов в конкретных материалах, с помощью этих новых общих принципов «внезапно у нас появилось объяснение их данных, которое не требует таких конкретных предположений», - говорит Ип.
Подъем напряжения течения «является важным явлением в материалах», - говорит Фэн, объясняя, как они изгибаются и трескаются в процессе, называемом пластической деформацией. «Это характерно для всех металлов», - говорит он, а также для многих других материалов.
Но то, как меняется деформация в зависимости от приложенных сил, говорит Фан, подобно тому, как поверхность воды в бассейне может плавно раздвигаться, когда дайвер ударяется о поверхность с определенной скоростью. но не успевает разойтись и ведет себя как твердый при слишком быстром ударе, как при прыжке с большой высоты.
Ключевым моментом является то, что называется «локализацией деформации», говорит Йип, то есть то, как удар или другое напряжение ограничено небольшим начальным местом, и как быстро приложенные силы могут затем распространяться за пределы этой точки. По его словам, чтобы полностью это понять, команде пришлось проанализировать, как движутся атомы и молекулы, вызывая такое поведение.
Команда обнаружила, что, помимо скорости приложения деформации, эффект в решающей степени - и весьма предсказуемым образом - зависит от температуры материала. «Люди думают, что они независимы», - говорит Фэн, но оказывается, что эффекты скорости деформации и температуры тесно связаны между собой.
Эффекты весьма драматичны, говорит Йилдиз: скорость изменений, происходящих в материале, может внезапно измениться на порядки, превращая медленную эрозию во внезапный катастрофический разрыв. Анализ потенциально может помочь предсказать разрушение таких разнообразных конструкций, как бетонные здания, металлические сосуды под давлением в силовых установках и структурные компоненты корпусов самолетов, но потребуется дальнейшая работа, чтобы показать, как эти основные принципы можно применить к этим различным материалам.
«Я не хочу сказать, что это будет одно и то же явление» в таких разных случаях, говорит Йылдыз, но основные принципы сопряженных факторов окружающей среды «могут объяснить существенные различия» в поведении этих материалов. в состоянии стресса.
«Мы считаем, что такое поведение является универсальным» среди различных материалов, - говорит Ип, - но мы еще не доказали это. Это начало долгого пути».
Тинг Чжу, профессор физики в Технологическом институте Джорджии, говорит, что работа команды Массачусетского технологического института дает «новый взгляд на давнюю загадку так называемого восходящего поведения напряжения потока. Работа представляет собой новую парадигму, которая синергетически объединяет теоретическое моделирование с атомарными расчетами, тем самым обеспечивая объяснение головоломки без параметров». Чжу, который не был связан с этим исследованием, добавляет, что «их подход должен быть в целом применим к широкому кругу задач текучести-напряжения как для кристаллических, так и для стеклообразных твердых тел."
Работа была поддержана Консорциумом Министерства энергетики США по перспективному моделированию легководных реакторов и его Отделом материаловедения и инженерии.