Väitös: Kuvantaminen avaa uusia mahdollisuuksia materiaalitieteeseen

Materiaalit joutuvat äärimmäisiin olosuhteisiin esimerkiksi silloin, kun autonkori muokkaantuu auto-onnettomuudessa tai avaruusalus palaa Maan ilmakehään, jossa se kuumenee kitkan vaikutuksesta. Kun koneita ja laitteita suunnitellaan, on tärkeää ymmärtää, miten materiaalit käyttäytyvät käyttötarkoitusta vastaavissa olosuhteissa.

– Insinööreille ja materiaalitieteilijöille on arkipäivää tutkia materiaalien kestävyyttä kuormituksessa. Perinteisillä testausmenetelmillä on kuitenkin vaikeaa tutkia materiaalien käyttäytymistä suurilla nopeuksilla ja korkeissa lämpötiloissa. Uusien suureen kuvantamisnopeuteen kykenevien optisten ja infrapunakameroiden avulla saadaan paljon enemmän numeerista tietoa materiaalien käyttäytymisestä eri olosuhteissa, Soares sanoo.

Materiaalien käyttäytymisen analysointi optisilla ja infrapunakameroilla ei ole aivan yksinkertaista edes silloin, kun koe tapahtuu hitaasti ja näyte on huoneenlämpötilassa. Vaikeudet kasvavat huomattavasti muodonmuutosnopeuden ja lämpötilan kasvaessa, ja todella nopeat kokeet kestävätkin vain kymmeniä tai satoja mikrosekunteja. Tuolloin näyte voi olla reilusti yli tuhannen celsiusasteen lämpötilassa lähellä sulamispistettä.

Väitöstutkimuksessaan Soares kehitti tutkimusmenetelmän, joka yhdistää mekaanisen kokeen eli materiaaliin kohdistuvan voiman mittaamisen, voiman aiheuttaman muodonmuutoksen mittaamisen optisilla kameroilla, sekä plastisen työn aikaan saaman adiabaattisen kuumenemisen eli lämpötilan mittaamisen infrapunakameroilla. Työssä esitetään myös ratkaisuja mittausdatan samanaikaiseen keräämiseen vain mikrosekunteja kestävässä kokeessa, useiden suurnopeuskameroiden tuottaman mittausdatan esittämiseen samassa koordinaatistossa sekä infrapunakameran mittamaan lämpötilan kalibroimiseen todellista pintalämpötilaa vastaavaksi.

Kuvantamalla voidaan tutkia materiaaleja ääriolosuhteissa

Soares tutki useiden metallien ja metalliseosten käyttäytymistä erilaisissa kuormitusolosuhteissa jopa 1350 celsiusasteen lämpötilassa. Mittausten tuottaman valtavan datamäärän vuoksi tuloksia oli hankala esittää helposti luettavassa muodossa. Tämän vuoksi Soares kehitti useita erilaisia graafisia esitysmuotoja, jotka visualisoivat materiaalin mekaanisen lujuuden, muodonmuutosnopeuden, lämpötilan, ja muodonmuutoksen määrän väliset yhteydet ennen näkemättömän laajassa skaalassa.

– Tutkimukseni osoitti, että kuvantamismenetelmät tuottavat arvokasta tietoa materiaalien käyttäytymisestä. Tulosten avulla voidaan kehittää ja todentaa nykyisiä materiaalimalleja ja ohjata teollisuuden tuotesuunnittelua, Soares kertoo.

Diplomi-insinööri Guilherme Corrêa Soaresin materiaalitieteen alaan kuuluva väitöskirja Thermomechanical Behaviour of Materials under Extreme Conditions Studied with High-Speed Optical and Infrared Imaging tarkastetaan julkisesti Tampereen yliopiston tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnassa perjantaina 22.4.2022 klo 12 alkaen Hervannan kampuksella, Konetalon salissa K1702 (Korkeakoulunkatu 6, Tampere). Vastaväittäjinä toimivat professori Pascal Forquin Grenoblen yliopistosta ja Dr Stephen Walley Cambridgen yliopistosta. Kustoksena toimii professori Mikko Hokka tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnasta.

Tilaisuus on englanninkielinen.