Mikroskopická zemětřesení v kovech

Plastická deformace většiny kovových materiálů se na makroskopické úrovni vyznačuje hladkým a homogenním tečením, které je výsledkem složení mnoha lokálních procesů plastické deformace probíhajících současně. Na mikroskopické úrovni je tomu ale jinak. Proces je nehomogenní a nespojitý, na záznamu zpravidla pozorujeme nahodilé skoky deformačního napětí. Příčinou tohoto rozdílu je fakt, že přechodem na mikroskopickou úroveň se plně projeví redistribuce čárových poruch krystalu (dislokací) v důsledku přiloženého mechanického napětí. Na povrchu vzorku pak můžeme pozorovat nepravidelné skluzové čáry, jak ukazuje Obr. 1 a krátké video na kanálu YouTube.

Vědci z Univerzity Karlovy, Univerzity Loránda Eötvöse v Budapešti (Maďarsko) a École des Mines de Saint-Étienne (Francie) vyvinuli velmi citlivé mikromechanické zařízení, které představuje nanoindentor, tedy zařízení umožňující studium mechanických vlastností na velmi malých (mikroskopických) vzorcích. Nanoindentor je umístěn v komoře rastrovacího elektronového mikroskopu, což umožňuje sledovat probíhající plastickou deformaci s velkým prostorovým rozlišením. „Nejdůležitější inovací je nicméně možnost záznamu akustické emise (AE), tj. elastického vlnění uvolněného v důsledku pohybu dislokací během deformace. Jako první jsme ukázali, že energie AE vyzářená dislokacemi během jednoho skoku na deformační křivce je přímo úměrná uložené deformační energii,“ vysvětluje Dr. Michal Knapek z katedry fyziky materiálů Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy, spoluautor studie, kterou v dubnu zveřejnil renomovaný časopis Nature Communications. Záznam AE získaný se vzorkovací frekvencí 2,5 MHz podává velmi podrobnou informaci o dynamice pohybu dislokací. „Statistická analýza dat AE mimo jiné ukázala, že navzdory tomu, že skok napětí na deformační křivce se jeví jako jedna izolovaná událost, ve skutečnosti jde o výsledek několika korelovaných a kolektivních skluzů dislokací na mikrosekundové časové škále,“ dodávají doc. Chmelík a prof. Máthis, další spoluautoři článku.

Nejpřekvapivějším výsledkem studie je nalezení analogie mezi dislokačním skluzem a zemětřesením. Navzdory zcela rozdílným mechanismům posuvu tektonických vrstev, resp. plastické deformace kovů, oba procesy vykazují identické statistické charakteristiky, např. pokud jde o parametry rozdělení otřesů následujících hlavní otřes, či událostí následujících po kolektivním uvolnění dislokací v důsledku působícího napětí. Tento objev tak otevírá nové perspektivy výzkumu v seismologii a ve fyzice materiálů.

Kontakt:
prof. RNDr. Kristián Máthis, DrSc.
mathis@met.mff.cuni.cz
tel.: +420-951 551 458

KFM