Már kialakulásuk előtt felfedezhetőek a fém alkatrészek repedései

A repülőgépek katasztrófáinak megelőzéséhez kulcsfontosságú a műszaki hibák vizsgálata. Jaafar El-Awady a Johns Hopkins kutatója az így nyert tapasztalatokat a megfelelő minőségű anyagok és alkatrészek kifejlesztéséhez használja. Az anyagok repedéseinek vizsgálata idáig közvetlenül a repedés kialakulása előtti és utáni pillanatokra korlátozódott. Korábban ezek a megfigyelések csak korlátozott mértékben tették lehetővé a fáradásos repedések elleni leghatékonyabb anyagok megtalálását. Az extrém környezetekben használt anyagok mechanikáját kutató tudós szerint a repedési jelenségek létezéséről tudni lehetett, az okok azonban nem mindig voltak nyilvánvalóak.

A tervezőmérnökök tudják, hogy a fémek fáradása összefügg az őket érő terhelési ciklusok számával. A repülőgépekben például a hajtóművek változó nyomásviszonyoknak kitett, forgó alkatrészei bizonyos számú ciklus után elhasználódnak – ennek megjóslása az egyik legnagyobb kihívás, tűpontosan kalkulálni szinte lehetetlen El-Awady szerint. A kutató a legújabb, Science magazin által is közölt tanulmányában a mikrométer alatti tartományban vizsgálja a fémek felépítését, és új módszert hoz a minden fémet érintő fáradásos repedések okainak megtalálására.

Mivel a repedések nanotartományban keletkeznek, kis léptékű kísérletek során és szabad szemmel nem vizsgálhatók, csak, miután már kialakultak. El-Awady a módszeréhez pásztázó elektronmikroszkópot használ, amivel a vizsgált minta teljes felülete láthatóvá válik mikrométer alatti tartományban. Így már megfigyelhetőek a repedések kialakulási és terjedési folyamatai, amelyekből kikövetkeztethetők az ezeket okozó hatások, és hogy miként lokalizálódnak a sérülések, melyekből repedés keletkezik.

Segíthet a pazarlás csökkentésében

Az eljárás a hibák megjóslására irányuló nagy igényt is kielégítheti – El-Awady példája szerint ha egy alkatrészről megállapítható lenne, hogy mindössze 0,1 százalék a meghibásodásának valószínűsége, pazarlás volna kidobni idő előtt.

A kutatás célja volt, hogy bővítse az általános ismereteket a repedések kialakulásának folyamatáról, mely a fáradásos törések kialakulásának első fázisa. A törés El-Awady szerint az az állapot, ahol az egész mintadarab katasztrofális hibát szenved. A repedések kialakulásuktól kezdve terjednek, ám ez a folyamat a terhelési ciklusok fajtáitól függően fennállhat az alkatrész élettartamának 10 százalékától a 90 százalékáig is.

A repedések kialakulása az elmozdulások hatására deformálódó fémre vezethető vissza – a fémek kristályszerkezetében történő defektusok lokalizációja okozza a repedéseket, az ehhez vezető út a különböző fémekben többnyire megegyezik. A kísérlethez a repülésben gyakran használatos tiszta nikkelt vizsgálták.

Nem minden repedés vezet töréshez

A katasztrofális hibához sok apró repedés tovaterjedése vezet, ezért a kutatók vizsgálják, hogy milyen tényezők hatására nőnek tovább a repedések, törést eredményezve végül. A kutatók jelenleg nehezen tudják megmondani, mely repedések fognak végül elterjedve katasztrófához vezetni.

Gyakorlati alkalmazás

A repedések kialakulásának megértésével a folyamatok modellezhetőek, ezáltal megjósolhatóvá válnak, ami lehetővé teszi a hosszabb élettartamú anyagok és alkatrészek készítését. Az iparban jelenleg a szilárdságot a töréshez vezető ciklusok számával összevető görbék szolgálnak annak megállapítására, hogy mikor kell cserélni az alkatrészeket. Ezek tapasztalati alapokon nyugszanak, és mellőzik a törést okozó repedések jobb megértését – áll a Machine Design cikkében.