Badania wytrzymałości materiałów są niezwykle ważne, gdyż zależy od nich bezpieczeństwo eksploatacyjne wielu maszyn i konstrukcji budowlanych. Nowoczesne metody obserwacji zjawisk, które zachodzą z ekstremalnymi prędkościami, umożliwiają rozpoznanie wad materiałowych, zanim dojdzie do uszkodzenia całej konstrukcji lub urządzenia. Niezwykle przydatne w takich badaniach są kamery ultraszybkie.
Czym jest propagacja w pękaniu materiałów?
Propagacja pękania to rozprzestrzenianie się uszkodzeń w materiale, który jest poddany naprężeniu. Zjawisko tego typu zachodzi np. podczas kruchego pękania, czyli wtedy, gdy naprężenie średnie przenoszone przez ów materiał jest mniejsze niż wartość granicy plastyczności. Towarzyszy mu niewielkie odkształcenie plastyczne oraz absorpcja energii. Pękanie kruche następuje nagle, bez żadnych ostrzeżeń w postaci objawów przepowiadających. Charakteryzuje się dużą gwałtownością. Pękanie kruche jest bardzo niebezpieczne, ponieważ powoduje duże straty finansowe, a czasem może nawet doprowadzić do tragicznych wypadków z ofiarami śmiertelnymi.
Niewykryta odpowiednio wcześnie propagacja pęknięć będzie się rozwijać i postępować dalej do momentu, aż wartość aktualnej wytrzymałości danej konstrukcji nie obniży się do poziomu, przy którym nominalne obciążenia elementu doprowadzą do jego zniszczenia. Rozwój mechaniki pękania nastąpił, gdyż dochodziło do katastrof konstrukcji budowlanych, które były prawidłowo zaprojektowane i wykonane. Pękanie było przyczyną zniszczenia wielu konstrukcji mostów, rurociągów, statków, samolotów, zbiorników ciśnieniowych czy cystern.
Jak działają kamery ultraszybkie i czy pozwalają na zaobserwowanie propagacji w pękaniu materiałów?
Kamery ultraszybkie to najszybsze urządzenia na rynku. Mogą one rejestrować nawet miliard klatek na sekundę. Tak zawrotne tempo rejestracji obrazu pozwala na uchwycenie różnych procesów ultraszybkich, których nie można zaobserwować ani gołym okiem, ani nawet przy pomocy kamer szybkich. Charakteryzują się doskonałymi parametrami technicznymi, dlatego są wykorzystywane w badaniach naukowych. Dzięki nim można wyraźnie zobaczyć, a następnie przeanalizować wiele zjawisk i procesów zachodzących z ekstremalnymi prędkościami. Jednym z nich jest właśnie propagacja pęknięć w materiałach.
Poklatkowe kamery ultraszybkie umożliwiają wykonywanie obserwacji ultraszybkich procesów w wysokich rozdzielczościach. Jeżeli połączy się je ze zrywarką wysokich prędkości albo statyczną maszyną wytrzymałościową, można zaobserwować propagację pęknięć materiałów (np. kompozytowych CFRP) z niezwykłą szczegółowością, a następnie przeprowadzić ich analizę. Wielką zaletą takich urządzeń jest możliwość pomiaru i korekcji obrazu.