Särönkasvuvastuksen mallintaminen ja murtumismekaaninen väsymisraja

Metallin väsyminen on suurin yksittäinen rakenteiden ja kone-elimien vaurioitumisen syy. Suurlujuusterästen ja ainetta lisäävän valmistustavan yleistymisen myötä väsymisvaurioiden osuuden voidaan odottaa kasvavan entisestään. Yli satavuotias tutkimushistoria ei ole tuonut riittäviä ratkaisuja ongelmaan. Ilmiön monimutkaisuus ja moninaiset riippuvuudet hankaloittavat niin väsymiskoetulosten siirrettävyyttä, kuin myös ilmiön ymmärtämistä.

Fysiikkapohjainen lähestyminen väsymisen ennustamiseen on mahdollinen ratkaisu tulosten siirrettävyysongelmille. Kokeelliset havainnot tuottavan prosessin osatekijöiden ymmärtäminen, määrittäminen, ja riippuvuuksien tunteminen mahdollistaa alhaalta ylöspäin rakentuvan fysikaalisen ennustemallin luomisen. Tällä tavoin rakennetulla mallilla on edellytykset tuottaa oikeanlaisia tuloksia, vaikka ongelman lähtöarvot—kuten materiaali tai kuormitus—muuttuisivat.

Avain fysikaalisen ennustemallin luomiseen voi olla määrällinen kuvaus särön ennenaikaisesta sulkeutumisesta. Termi viittaa metalleille ominaiseen, särönkasvua vastustavaan ilmiöön, jolla selitetään monia kokeellisia havaintoja metallin väsymisessä, kuten kuormitushistorian ja ympäristön vaikutusta. Mikrotasolla tapahtuvaa ilmiötä on kuitenkin vaikea mitata, mikä on rajoittanut tarkastelun suurelta osin laadulliselle tasolle. Särön sulkeutumisesta on tullut jokerikortti, joka pelataan, jos kokeellista havaintoa esimerkiksi särön pysähtymisestä ei muuten ymmärretä. On syytä selvittää, mitä havaintoja—ja kuinka suuren osan näistä havainnoista—ilmiö voi oikeasti selittää. Simulaatiotekniikan ja laskentatehon kehittymisen myötä numeeriset mallinnusmenetelmät osoittavat valmiutta tehtävään.

Väitöskirjan simulointipohjaiset tulokset osoittavat, että särön sulkeutuminen on usein määräävä tekijä väsymisrajan kannalta, ja väsymisrajaa voidaan ennustaa simulaatiopohjaisesti. Ennusteen riippuvuudet kuitenkin eroavat kokeellisesti havaituista, mitä selittää mikrorakenteen epätasalaatuisuus ja särön ydintymisvastus. Särönkasvuvastuksen kokonaisvaltainen kuvaus vaatii näiden seikkojen lisäksi myös murtopintojen karheudesta ja hapettumisesta johtuvat särön sulkeutumismekanismit.

Väitöskirja sisältää tutkimusalalleen merkittävää uutta tietoa väsymisen kannalta olennaisten lyhyiden säröjen fysiikasta. Tutkimus selkeyttää käsityksiä väsymisestä, luo pohjaa ilmiön fysikaaliselle ennustamiselle, ja tunnistaa vaaditut seuraavat askeleet täydellisen ennustemallin luomiselle. Sisällyttämällä särön ydintymisen, kasvun, ja mikrorakenteen roolit tutkimus yhdistää materiaalitieteen, murtumismekaniikan, ja klassisen väsymisen tieteenhaaroja.