Çatlak, Malzeme Tasarımında Önemli

Northeastern Üniversitesi‘nden Profesör Alain Karma liderliğindeki araştırma grubu, kırılgan malzemelere çok hızlı yayıldığında, çatlakların tuhaf davranmalarını sağlayan bir mekanizma keşfetti. Bu çalışmanın sonuçları, araştırmacıların cam, seramik, polimerler ve kemik gibi kırılgan malzemelerin felakete yol açacak kadar hızlı bir şekilde nasıl bozulduğunu ortaya koyuyor. Ayrıca hatalı çatlakları önlemek için malzemelerin nasıl tasarlanması gerektiğinin daha iyi anlaşılmasına da yardımcı oluyor.

Karma’nın bu çalışmadaki amacı, kırılgan malzemelerin nasıl bozulduğunu anlamaktı. Çünkü malzeme biliminde, inşaatta ve ürün geliştirmede uzun zamandır sorun haline gelen birincil materyallerin başarısız olması çatlak yayılımı ile gerçekleşiyor. Daha spesifik olarak, araştırma ekibi bu çatlakların kenarındaki yüksek gerilimli konsantrasyonun mekanik özelliklerinin, çatlak dinamiklerini nasıl etkilediğini anlamayı hedefledi.

Karma araştırma konusuyla ilgili şu açıklamaları yaptı;

“Düz çatlaklar prensipte, ses hızı kadar hızlı bir materyal vasıtasıyla yarışıyor olsa da, bazı nedenlerden ötürü bu hıza hiçbir zaman ulaşamıyorlar. Bu çalışmada bunun sebebini gösterdik. Çünkü hızları yeterince yüksek olduğunda, çatlaklar doğası gereği kararsızlaşıyorlar. Bu kararsızlık da çatlak ucunun yanlamasına yönde sallanmasına ve malzemede dalgalı bir yol izlemesine neden oluyor. Bu istikrarsızlık, klasik kırılma teorileri ile tamamen göz ardı edildi. Bu teori, bir materyalin içindeki gerilme ile kuvvet arasındaki ilişkinin doğrusal olduğunu varsaydı. Bu da, gücün iki katına çıkarılması durumunda gerginliğin de iki katına çıktığı anlamına geliyor. Çalışmalarımız, bu varsayımın çatlak ucunun yakınında bozulduğunu ve gerilme ile kuvvet arasındaki doğrusal olmayan ilişkinin, malzeme özellikleriyle ilişkili olabilecek iyi tanımlanmış bir periyotla nasıl salınımlar ürettiğini açıklıyor.”

Bu araştırma sayesinde Karma ve arkadaşları, büyük ölçekli bilgisayar simülasyonları kullanarak çeşitli koşullar altında bir çatlak dinamiğini tahmin etmelerine yardımcı olacak yeni bir teori geliştirdiler. Bu da bazı malzemelerin başarısız olmasının nedenlerini anlamaya yardımcı olabilir.

Çatlak odaklı bu çalışma genişletilerek devam edecek

Karma, bu araştırma ile elde ettikleri başarıyı çalışma alanını genişleterek arttırmak istediklerini söyledi. “Bu çalışmada, yarı 2-boyutlu malzemelerden çok ince tabakalar kullanıldı. Bunu 3-boyutlu döküm malzemelerine kadar genişletmeyi planlıyoruz. Çatlakların ses hızında kırılmasını önleyen kararsızlık, toplu halde 2D’den daha düşük bir çatlak hızında ortaya çıkıyor. Ancak bu mekanizma anlaşılmıyor.” dedi.

Bu mekanizmayı aydınlatmak için ekip; ana çatlağın birçok mikro çatlağa ayrıldığında, kırılgan materyallerin toplu numunelerindeki köklerini anlamak için mikro çatlakların 3-boyutlu fenomenini araştırmayı planlıyor. Karma, “Kuvvet ve deformasyon arasındaki doğrusal olmayan ilişkinin mikro çatlaklı istikrarsızlıkların kökü olduğuna inanıyoruz ve bu sorunu çözebileceğimizi düşünüyoruz” dedi.