Kesme yüklemesi, alüminyum alaşımındaki sert parçacıkların etrafında altı kat hasar artışı olduğunu ortaya koyuyor

Malzemelerin mekanik yüklere karşı direnci, uçaklarda olduğu gibi bileşen güvenliğinde belirleyici bir faktördür. Uluslararası bir ekibin parçası olarak çalışan Karlsruhe Teknoloji Enstitüsü’nden (KIT) araştırmacılar, metallerde daha önce bilinmeyen bir hasar mekanizması buldular: Sert parçacıklar şeklindeki kirlenme, kesme yüklemesi nedeniyle deformasyona maruz kaldığında boşluk hacminin altı kata kadar artmasına neden olabilir.

Çalışmanın sonuçları özellikle geri dönüşüm süreçlerinde malzemelerin sünekliği ve güvenliği ile ilgilidir. Çalışma şu dergide yayınlandı: Uluslararası Plastisite Dergisi.

Bileşen üreticileri, malzemelerin maruz kalacağı yüklerin farkında olmalıdır. Çekme, basınç, eğilme veya kesme gibi mekanik yükler malzeme davranışını etkiler. Kayma yüklemesi durumunda, malzemenin bireysel alanları birbirine göre yer değiştirir ve kayma gerilimi adı verilen iç gerilime neden olur.

Şimdiye kadar araştırmalar, kesme yükü altında malzemelerdeki hasarın önemli ölçüde artmayacağı, yani bu tür yükler altında malzeme hasarının açıklanamayacağı varsayımına dayanıyordu.

Şimdi, Foton Bilimi ve Sinkrotron Radyasyonu Enstitüsü’nden (IPS) ve KIT’deki Sinkrotron Radyasyonu Uygulama Laboratuvarı’ndan (LAS) bilim adamları, Fransa’daki Mines Paris PSL Üniversitesi’nden meslektaşlarıyla birlikte, kesme yüklemesine maruz kalan metallerde daha önce bilinmeyen bir hasar mekanizması keşfettiler.

IPS’den Dr. Mathias Hurst, “Sert parçacıklar şeklindeki kirlenme, kesme yükü altında önemli hasar büyümesine neden olabilir” dedi. Örnek olarak araştırmacılar, bu hasar mekanizmasını, özellikle uçak sektöründeki ulaşım araçlarının hafif yapısına çok uygun bir alüminyum alaşımında gösterdiler.

Bu nedenle çalışma, özellikle mobilite ve ulaşım endüstrilerinde malzemelerin sünekliğiyle oldukça ilgilidir. Geri dönüştürülmüş metaller genellikle çok sayıda metallerarası parçacık içerdiğinden, geri dönüşüm işlemleri için de önemlidir.

Synchrotron bilgisayarlı laminografi ve 3D simülasyon

Kesme yükü altında hasar büyümesini göstermek için araştırmacılar görüntüleme ve simülasyon yöntemlerini birleştirdi. KIT’te geliştirilen bilgisayarlı tomografiye benzer bir yöntem olan sinkrotron bilgisayarlı laminografiyi (SR-CL) kullandılar. Düz, geniş nesnelerin iç kısmının yüksek çözünürlüklü 3 boyutlu temsilini oluşturur.

SR-CL yöntemi, araştırmacıların santimetre ölçeğindeki numunelerin ayrı ayrı alanlarını mikrometre aralığında bir çözünürlükle incelemesine olanak tanır. Ekip ayrıca bir modelde tespit edilen hasarı incelemek için Fransız bilim adamlarıyla işbirliği içinde geliştirilen gelişmiş 3 boyutlu simülasyon yöntemlerini de kullandı.

Sert parçacıklar malzeme hareketini engeller ve boşluk büyümesini artırır

Araştırmacılar, malzemeyi önce çekme yüklemesine, ardından kesme yüklemesine maruz bırakarak bir alüminyum alaşımını (AA2198-T851) araştırdılar. Çekme gerilimi malzemede boşluklara neden oldu ve ekip, bunların kayma altında devam eden büyümelerini gözlemledi. Bu, metallerarası parçacıklarda gelişen boşluk hacminin altı kata kadar arttığını gösterdi.

Hurst, “Bu nedenle intermetalik parçacıklar, metallerde kesme yükü altında hasar büyümesinin önemli bir itici gücüdür” dedi. “Sert parçacıklar malzeme hareketini engelliyor ve boşluk büyümesini artırıyor.”

Bulgular, kesme yükü altındaki hasar mekanizmalarına ilişkin yeni bilgiler sağlıyor ve uygulamayla ilgili yüklere maruz kalan bileşen arızalarının daha iyi anlaşılmasına katkıda bulunuyor. Bu, gelecekteki bileşenlerin daha uzun ömürlü ve daha hafif olacak şekilde tasarlanabileceği anlamına geliyor; bu, özellikle taşımacılık sektöründe güvenlik ve sürdürülebilirliğe önemli bir katkı.