Suurnopeuskamera paljastaa, mitä tapahtuu metallin venyessä ja murtuessa
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.
Venymänauhat avuksi ennustamisessa
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.
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.
”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.
Yli tuhat kuvaa sekunnissa
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:
Avainsanat
Yhteyshenkilöt
Mikko Alava
Professori
Aalto-yliopisto, Teknillisen fysiikan laitos
p. 050 413 2152
mikko.alava@aalto.fi
Lasse Laurson
Tenure track -professori
Tampereen yliopisto, Laskennallisen fysiikan laboratorio
p. 050 545 5387
lasse.laurson@tuni.fi
Kuvat
Linkit
Tietoja julkaisijasta
Aalto-yliopistossa tiede ja taide kohtaavat tekniikan ja talouden. Rakennamme kestävää tulevaisuutta saavuttamalla läpimurtoja avainalueillamme ja niiden yhtymäkohdissa. Samalla innostamme tulevaisuuden muutoksentekijöitä ja luomme ratkaisuja maailman suuriin haasteisiin. Yliopistoyhteisöömme kuuluu noin 13 000 opiskelijaa ja yli 4 500 työntekijää, joista 400 on professoreita. Kampuksemme sijaitsee Espoon Otaniemessä.
Tilaa tiedotteet sähköpostiisi
Haluatko tietää asioista ensimmäisten joukossa? Kun tilaat tiedotteemme, saat ne sähköpostiisi välittömästi julkaisuhetkellä. Tilauksen voit halutessasi perua milloin tahansa.
Lue lisää julkaisijalta Aalto-yliopisto
Tutkimus: Uusien rakennusten päästöistä 70 prosenttia tulee rakentamisesta – eikä sitä huomioida tarpeeksi30.6.2025 07:53:14 EEST | Tiedote
Energiatehokkuus ja uusiutuvan energian käyttö ovat vähentäneet uudisrakennusten elinkaaripäästöjä, mutta rakentamisen päästöt eivät ole laskeneet. Viheralueiden vaaliminen ja puurakentamisen suosiminen tekisi rakentamisesta kestävämpää, korostavat tutkijat.
Tutkimus: Seksuaali- ja sukupuolivähemmistöille myönteiset yritykset ovat selvästi innovatiivisempia18.6.2025 09:30:00 EEST | Tiedote
Yhdysvaltalaisia suuryrityksiä koskenut tutkimus kertoo, että patenttien määrä ja laatu kasvavat merkittävästi, jos yritys saa korkeat pisteet LGBTQ+-yhteisöä eli seksuaali- ja sukupuolivähemmistöjä tukevissa arvioinneissa.
Koneoppiminen tuo vallankumouksen tutkimukseen ja tuotekehitykseen – uuden tekoälyinstituutin johtajalle merkittävä EU-rahoitus17.6.2025 13:00:00 EEST | Tiedote
Uusi projekti ratkoo koneoppimisen keskeistä pullonkaulaa ja muodostaa myös yhden uuden ELLIS-instituutin tutkimuksen kulmakivistä.
A revolution for R&D with the missing link of machine learning — project envisions human-AI expert teams to solve grand challenges17.6.2025 13:00:00 EEST | Press release
Robust, deployable and collaborative machine learning (ML) methods are needed for artificial intelligence (AI) to become truly useful. This ERC-funded research aims to solve a major ML bottleneck and will form a cornerstone of the newly established ELLIS Institute Finland.
Väitöstutkimus: Suomen väestönsuojajärjestelmä on kansainvälisesti poikkeuksellisen kattava – kuumenevat kesät voivat kuitenkin haastaa sen toimivuutta12.6.2025 11:30:00 EEST | Tiedote
Vuosikymmenten aikana rakennetun suomalaisen väestönsuojajärjestelmän hinta vastaa vain noin kolmen vuoden puolustusbudjettia – ja se suojaa lähes koko väestön.
Uutishuoneessa voit lukea tiedotteitamme ja muuta julkaisemaamme materiaalia. Löydät sieltä niin yhteyshenkilöidemme tiedot kuin vapaasti julkaistavissa olevia kuvia ja videoita. Uutishuoneessa voit nähdä myös sosiaalisen median sisältöjä. Kaikki tiedotepalvelussa julkaistu materiaali on vapaasti median käytettävissä.
Tutustu uutishuoneeseemme