Απομακρύνοντας την παραμόρφωση από τη μηχανική

Μετάφραση Αργυρώ Βεργανελάκη

Η παραμόρφωση κομματιάζει στη φύση: το φυσικό αναπτυξιακό μοντέλο ενός δέντρου προκαλεί συστατικές παραμορφώσεις στο ξύλο του κορμού. Όταν ο κορμός πέφτει και το ξύλο γίνεται πιο στεγνό, αυτές οι παραμορφώσεις μπορούν να ξεπεράσουν τη δύναμη του ξύλου και να οδηγήσουν σε σημαντικά ρήγματα Χορηγία εικόνας από Darren Hughes

Ο Darren Hughes από το Ινστιτούτο Laue-Langevin της Γκρενόμπλ, Γαλλίας ρίχνει μια ματιά στην παραμόρφωση. Πώς μπορεί να επιτευχθεί να φτιάχνουμε ασφαλέστερους σιδηρόδρομους ή πιο αποτελεσματικές τουρμπίνες αεροπλάνων-και τι μπορούμε να μάθουμε από το νετρόνιο-και την ανάλυση με ακτίνες Χ? Όλοι γνωρίζουμε το συναίσθημα: μία δύσκολη μέρα, φορτωμένη από δουλειά, και σεις νιώθετε πιεσμένοι. Ξέρατε, λοιπόν, ότι τα μέταλλα που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή των αεροσκαφών, κτιρίων, αυτοκινήτων και τρένων πιέζονται επίσης; Στην πραγματικότητα σχεδόν οτιδήποτε υπάρχει γύρω μας υπόκειται σε συνεχείς πιέσεις, αρχίζοντας από τη μέρα που κατασκευάζεται. Σε ορισμένες περιπτώσεις, δεν είναι τόσο σημαντικό, αν η πίεση προκαλέσει την πτώση κάποιου μέρους, καθώς το κατεστραμμένο κομμάτι μπορεί εύκολα να αντικατασταθεί. Παρόλα αυτά αυτές οι πιέσεις γίνονται απίστευτα σημαντικές σε συστατικά μέγιστης ασφάλειας, όπως σε μία μηχανή αεροσκάφους ή σε ένα σιδηρόδρομο. Οι μηχανικοί που σχεδιάζουν και κατασκευάζουν αυτά τα συστατικά, συνεργάζονται τώρα με επιστήμονες στη Γκρενόμπλ Γαλλίας, για να κατανοήσουν πώς προκαλούνται αυτές οι πιέσεις και να βελτιώσουν το χρόνο ζωής και την αξιοπιστία των συστατικών.

Η παραμόρφωση στα μεταλλικά συστατικά είναι παρούσα από την αρχή της κατασκευής και αναδύεται κατά τη διάρκεια του σχηματισμού τους. Η παραμόρφωση στα μηχανικά συστατικά περιγράφεται συχνά με δύο τρόπους, ως συστατική ή εφαρμοζόμενη. Η παραμόρφωση που παραμένει εγκλωβισμένη σε ένα συστατικό μετά την κατασκευή του ονομάζεται συστατική παραμόρφωση. Όταν το συστατικό χρησιμοποιείται, υπόκειται σε εφαρμοζόμενη παραμόρφωση, π.χ. ένα τρένο ασκεί μία εφαρμοζόμενη παραμόρφωση στις ράγες. Η ολική παραμόρφωση στο συστατικό είναι, επομένως, το άθροισμα της εφαρμοζόμενης και της συστατικής παραμόρφωσης.

Βέβαια η παραμόρφωση μπορεί να είναι είτε θετική είτε αρνητική ανάλογα με τη φύση της δύναμης. Αν μία περιοχή ενός συστατικού εκτείνεται, τότε η παραμόρφωση είναι γενικά θετική ή εκτατή ˙ από την άλλη πλευρά αν συμπιέζεται τότε η παραμόρφωση είναι αρνητική ή συμπιεστική. Μετά την κατασκευή, οι συστατικές παραμορφώσεις σ’ ένα συστατικό αλλάζουν κάθε φορά που χρησιμοποιείται το συστατικό, εξαιτίας των εφαρμοζόμενων πιέσεων. Ο βαθμός αλλαγής εξαρτάται από τον τύπο της φθοράς, το χρόνο χρήσης και τις εφαρμοζόμενες δυνάμεις. Τελικά, η μηχανική φθορά συνδυάζεται με τις παραμορφώσεις και προκαλεί την καταστροφή του συστατικού.

Είναι όλες οι παραμορφώσεις βλαβερές ή κάποιες μπορεί να είναι και κερδοφόρες; Ναι, ενώ μια εκτατή παραμόρφωση θεωρείται γενικά κακή, μία συμπιεστική θεωρείται συνήθως κερδοφόρος. Σκέψου ένα μικρό ρήγμα που συνέβη πάνω σε μία επιφάνεια (δες παρακάτω). Αν η παραμόρφωση γύρω από το ρήγμα είναι εκτατή, το ρήγμα επεκτείνεται λόγω της παραμόρφωσης και γίνεται βαθύτερο.

Η επίδραση μιας παραμόρφωσης σ’ ένα ρήγμα Χορηγία εικόνας από Darren Hughes

Από την άλλη πλευρά, αν η παραμόρφωση είναι συμπιεστική, το ρήγμα κρατάει τη συνοχή του και δεν μεγαλώνει. Οι σύγχρονοι μηχανικοί επινόησαν παραγωγικές μεθόδους που τους επιτρέπουν να εφαρμόζουν μια συστατική συμπιεστική παραμόρφωση σε περιοχές νέων συστατικών, όπου μικρά ρήγματα μπορεί να αναπτυχθούν και έτσι να βελτιώσουν το χρόνος ζωής και την ανθεκτικότητα τους στη φθορά.

Ακούγεται εύκολο; Ένα πρόβλημα είναι ότι όλο το συστατικό πρέπει να υπακούει στους κανόνες της φυσικής, ώστε η ολική παραμόρφωση να εξισορροπείται όταν είναι ακίνητο- αυτός είναι ο πρώτος νόμος του Νεύτωνα. Έτσι, αν έχεις μια περιοχή κερδοφόρου παραμόρφωσης, θα υπάρχει μια εξισορροπητική περιοχή επιζήμιας έκτασης κάπου αλλού. Οι μηχανικοί, επομένως, πρέπει να μετρούν τις συστατικές παραμορφώσεις σ’ ένα μεταλλικό συστατικό, έτσι ώστε να μπορούν να προσδιορίζουν τόσο τις συμπιεστικές όσο και τις εκτατές παραμορφώσεις, να μετρούν τη σπουδαιότητά τους και στη συνέχεια να βελτιώνουν τις τεχνικές κατασκευής. Είναι γενικά αρκετά εύκολο να υπολογιστούν οι εφαρμοζόμενες παραμορφώσεις (π.χ. από τον τρόπο με τον οποίο το βάρος ενός τρένου κατανέμεται πάνω στις ράγες) αλλά αρκετά πιο δύσκολο να προσδιοριστούν οι συστατικές παραμορφώσεις.

Η κατανόηση των συστατικών παραμορφώσεων είναι ιδιαίτερα σημαντική καθώς οι κατασκευές πρέπει να είναι πιο δυνατές, πιο οικονομικές και λιγότερο καταστροφικές για το περιβάλλον. Στον τομέα των μεταφορών, η χρήση υλικών φωτισμού μπορεί να μειώσει το κόστος καυσίμων δραματικά, αλλά είναι απαραίτητο να μην μειώνεται ο χρόνος ζωής του συστατικού.

Συστατικές παραμορφώσεις σε μια συγκόλληση ατσαλιού με οξυγονοκόλληση χρησιμοποιώντας νετρόνια. Η κορυφή της εκτατής παραμόρφωσης αντιστοιχεί στο κέντρο της οξυγονοκόλλησης Χορηγία εικόνας από Darren Hughes

Στη Γαλλία, μηχανικοί συνεργάζονται με επιστήμονες χρησιμοποιώντας το πρωτοπόρο νετρόνιο και την επιστήμη των ακτίνων-Χ στη Γκρενόμπλ, για να μετρήσουν την συστατική παραμόρφωση στα συστατικά. Δέσμες νετρονίων και ακτίνων-Χ κατευθύνονται πάνω σ’ ένα μεταλλικό συστατικό και το παραγόμενο φάσμα διάθλασης (δες το ένθεμα) παρέχει ένα χάρτη της συστατικής παραμόρφωσης στο συστατικό. Ένα από τα καλά αυτής της μη καταστροφικής μεθόδου είναι ότι τα νετρόνια και οι ακτίνες-Χ μπορούν να διασχίσουν μεγάλες αποστάσεις μέσα στα μέταλλα, οπότε η συστατική παραμόρφωση μπορεί να μελετηθεί χωρίς τον τεμαχισμό του συστατικού σε μικρότερα κομμάτια. Η επιλογή ανάμεσα στα νετρόνια και τις ακτίνες-Χ εξαρτάται από τον τύπο του υλικού, από το μέγεθος του συστατικού και την ανάλυση χώρου που απαιτείται

Μια πολύ σημαντική περιοχή μελέτης  είναι οι σημαντικές συστατικές παραμορφώσεις που προκαλούνται όταν υλικά ενώνονται, π.χ. με οξυγονοκόλληση. Η διαδικασία οξυγονοκόλλησης προκαλεί θερμική ανακατανομή, οδηγώντας σε σχηματισμό συστατικών παραμορφώσεων που με τη σειρά τους επηρεάζουν τη δύναμη και τη διάρκεια ζωής της οξυγονοκόλλησης (δες παρακάτω).

Μια επίσης σημαντική περιοχή έρευνας είναι η παραμόρφωση στις σιδηροδρομικές ράγες. Η σύγκρουση τρένου στο Hatfield της Αγγλίας τον Οκτώβριο του 2000 είναι ένα παράδειγμα των ακραίων συνεπειών που μπορεί να έχει η καταστροφή ενός μετάλλου. Τέσσερα άτομα πέθαναν και πάνω από 100 τραυματίστηκαν, όταν μία σπασμένη σιδηροτροχιά έβγαλε από την πορεία του ένα τρένο υψηλής ταχύτητας. Αυτός ο τύπος καταστροφής στις ράγες συνδέεται με την αλληλεπίδραση ανάμεσα σε ραγίσματα μικρής έκτασης και τη συστατική παραμόρφωση στην ράγα. Η εικόνα στην επόμενη σελίδα δείχνει το φάσμα παραμόρφωσης στην κεφαλή μιας τροχιάς που έχει φθαρεί, υπολογισμένο με ακτίνες-Χ: οι κόκκινες ζώνες αντιστοιχούν σε έκταση και οι μπλε σε συμπίεση. Το φάσμα παραμόρφωσης είναι δυσνόητο, αλλά περιοχές όπου η εκτατή παραμόρφωση πλησιάζει την επιφάνεια της ράγας κινδυνεύουν περισσότερο από την εξάπλωση επιφανειακών ρηγμάτων.

Κατανοώντας πώς οι συστατικές παραμορφώσεις σε μια ράγα αλλάζουν με τη χρήση, επιτρέπει στους μηχανικούς όχι μόνο να παράγουν καλύτερα υλικά αλλά και να βελτιώσουν τις διαδικασίες συντήρησης και να ελαχιστοποιήσουν τις καταστροφές. Οι καταστροφές που προκύπτουν από παραμόρφωση δεν απειλούν πάντα ανθρώπινες ζωές αλλά μπορεί παρόλα αυτά να είναι σημαντικό πρόβλημα για τις βιομηχανίες. Για παράδειγμα, εξαιτίας του όλο και αυξανόμενου ενδιαφέροντος για εναλλακτικές πηγές ενέργειας, η χρήση ανεμόμυλων για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας γίνεται όλο και πιο σημαντική.

Η σύγκρουση τρένου στο Hatfield Χορηγία εικόνας από Rob Welham˙ Χορηγία εικόνας από Wikimedia Commons

Συστατικές παραμορφώσεις στην κεφαλή μιας φθαρμένης τροχιάς μετρούμενες με διάθλαση ακτίνων-Χ Χορηγία εικόνας από Darren Hughes

Η απότομη κλίση των ανεμόμυλων σε συνδυασμό με τη σταθερή λειτουργία τους σε απομακρυσμένες περιοχές- μερικές φορές παράκτιες- θέτουν μερικά δύσκολα μηχανικά ερωτήματα. Συγκεκριμένα, το κεντρικό ρουλεμάν του βασικού άξονα (δες το σχήμα παρακάτω) είναι ένα συστατικό-κλειδί ˙ έχοντας το ρουλεμάν σε επαφή με τον άξονα από τη μία πλευρά και τους κυλίνδρους από την άλλη, εκτίθεται τόσο σε εσωτερικές όσο και σε επιφανειακές παραμορφώσεις. Οι παραδοσιακές επιφανειακές θεραπείες για την παραγωγή συμπιεστικών συστατικών παραμορφώσεων στην επιφάνεια (για να ελαχιστοποιηθούν τα επιφανειακά ρήγματα) έχουν οδηγήσει σε μη αναμενόμενες καταστροφές, εξαιτίας ίσως εξισορροπητικών εκτατών παραμορφώσεων σε άλλες περιοχές.

Μία έρευνα που γίνεται, προσπαθεί να προσδιορίσει τις συστατικές παραμορφώσεις σε ένα ρουλεμάν διαμέτρου 60cm και βάρους  120kg, χρησιμοποιώντας διάθλαση νετρονίων. Όταν ολοκληρωθεί, η έρευνα θα μας επιτρέψει να αλλάξουμε τον τρόπο κατασκευής του ρουλεμάν και να πετύχουμε μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Μαζί, οι μηχανικοί και οι επιστήμονες εργάζονται για να κατανοήσουν καλύτερα την παραμόρφωση και την καταστροφή των συστατικών και τελικά να κατασκευάσουν ασφαλή και μακροβιότερα συστατικά. Δείτε το από την καλή πλευρά, δεν είναι πάντα η πίεση κακή!

Ανεμόμυλος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας (αριστερά) και το κεντρικό ρουλεμάν βάρους 120kg που ελέγχεται με διάθλαση νετρονίων (δεξιά) Αριστερά: Χορηγία εικόνας από Neutronic˙ πηγή φωτογραφίας: Wikipedia Δεξιά: Χορηγία εικόνας από Darren Hughes

Χρησιμοποιώντας νετρόνια και ακτίνες-Χ για τη μελέτη της παραμόρφωσης

Χορηγία εικόνας από Darren Hughes

Τα νετρόνια και οι ακτίνες-Χ χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση του κρυσταλλικού πλέγματος ατόμων του μετάλλου με σκοπό την παροχή πληροφοριών της κατάστασης παραμόρφωσης του συστατικού. Μια δέσμη νετρονίων ή ακτίνων-Χ με συγκεκριμένο μήκος κύματος (λ) κατευθύνεται στο μέταλλο και αντανακλάται με συγκεκριμένη γωνία. Υπάρχει μία σχέση ανάμεσα στο διάστημα του κρυσταλλικού πλέγματος (d) και της γωνίας ανάκλασης (θ). Η σχέση αυτή λέγεται νόμος του Bragg.

Φαντάσου ότι εφαρμόζεις μία παραμόρφωση-είτε έκταση είτε συμπίεση- στο πλέγμα του μετάλλου. Όταν το πλέγμα παραμορφώνεται, το διάστημα του πλέγματος αλλάζει. Για παράδειγμα, στην παρακάτω περίπτωση, το dέκτασης είναι τώρα μεγαλύτερο και το dσυμπίεσης μικρότερο. Αν κοιτάξουμε στον νόμο του Bragg ξανά, υποθέτοντας ότι το μήκος κύματος δεν άλλαξε, τότε η γωνία θ πρέπει να αλλάξει. Χρησιμοποιώντας μετρητή για τη γωνία ανάκλασης, μπορούμε να εξακριβώσουμε αν το μέταλλο είναι υπό έκταση ή παραμόρφωση και σε ποιο ποσοστό.

Χορηγία εικόνας από Darren Hughes

Πηγές

Μια εισαγωγή στις τεχνικές που περιγράφονται εδώ μπορούν να βρεθούν σε: Withers PJ, Webster PJ (2001) Neutron and synchrotron X-ray strain scanning. Strain 37: 19-33

Πληροφορίες σχετικά με τις ιδιότητες των νετρονίων στο Ινστιτούτο Laue-Langevin στη Γκρενόμπλ, Γαλλίας: www.ill.fr

Πληροφορίες σχετικά με τις ιδιότητες των ακτίνων-Χ στο Ευρωπαϊκό Γραφείο Ακτινοβολίας στη Γκρενόμπλ: www.esrf.fr

Και το Ινστιτούτο Laue-Langevin και το Ευρωπαϊκό Γραφείο Ακτινοβολίας είναι μέλη της EIROforum, μίας ένωσης εφτά Ευρωπαϊκών δια-κυβερνητικών ερευνητικών οργανισμών, και οι εκδότες του Science in School. Δες: www.eiroforum.org