Forskere ser på, hvordan sprøde materialer mislykkes

Hvis du vil se, hvad der sker, hvis din telefon falder ned på beton, du kan faktisk droppe det eller lade en ingeniør udarbejde konsekvenserne på forhånd.

Odds er, at du går med ingeniøren.

At finde ud af, hvordan skøre materialer inde i en enhed opfører sig, og mislykkes, er et mål for Sandia National Laboratories 'Brittle Materials Assurance Prediction Program (BritMAPP). Programmet, som startede for to år siden og løber frem til 2020, studerer sprøde materialer på tre måder:stress og belastning; brudmekanik for at se, hvordan revner starter og udvikler sig; og forholdet mellem materielle egenskaber og struktur.

Skøre materialer, såsom glas, mislykkes pludselig og katastrofalt. I modsætning til metaller, hvilken bule eller bøjning, hvis den faldt, sprøde materialer går bare i stykker. "Du taber en hammer, og det kan bøje; du taber glas, og det går i stykker. Det er gjort, "sagde Ryan Jamison, der arbejder sammen med Brenton Elisberg og andre kolleger om stress- og belastningsdelen af ​​projektet.

De fokuserer på, hvordan pludselig fiasko påvirker ydeevnen, pålidelighed og sikkerhed for komponenter og systemer, hvor brud har alvorlige konsekvenser, såsom medicinsk udstyr eller satellitter.

Stærkere sprøde materialer, der kan håndtere slynger og pile i hverdagen, vil gavne alle slags enheder og i sidste ende, de mennesker, der bruger disse enheder. En skønne dag, det er måske ikke så bekymrende, når du ved et uheld taber en mobiltelefon.

Sandia ønsker at udvikle videnskaben, teknologi og forståelse for at sikre, at sprøde komponenter i systemer med høj konsekvens forbliver fuldt funktionsdygtige over en 30-årig levetid. BritMAPP -forskere udvikler mekanikmodeller og opdager grundlæggende egenskabs- og strukturforhold, så de kan skifte fra kvalitativ ingeniørvurdering til kvantitative forudsigelser om sprød materialefejl og pålidelighed.

Kvalitative tekniske vurderinger er beslutninger baseret på erfaring og sammenligning af resultater - A er bedre end B - mens kvantitative forudsigelser er nøjagtige baseret på et materiales fysiske adfærd. "Vi vil overgå fra at foretage sammenligninger, 'A er bedre end B, men vi ved virkelig ikke, hvor godt A er, 'at træffe beslutninger baseret på målbare kvaliteter, 'A er bedre end B, fordi A vil vare i 10 år længere end B, "Sagde Jamison." At være i stand til nøjagtigt at kvantificere forskellen er nøglen. "

Selvom han understregede, at der er meget arbejde, der skal gøres, "vi er allerede startet godt ned ad den vej."

Brug af modeller til at forudsige, hvor længe dele vil vare

Da det ikke er muligt at teste alle mulige scenarier, forskere indsamler data til computermodeller gennem laboratorieforsøg, måle materialer egenskaber for at forstå, hvordan tingene opfører sig. Modellerere fremstiller en computer af et objekt og anvender derefter fysiske love for at forudsige, hvordan materialerne opfører sig mekanisk:hvad sker der, når de er strakt eller presset.

"Det er her modellering er værdifuld, "Sagde Jamison." Vi kan lave præcise forudsigelser af ting, som vi bare ikke kan få data til. Det kan hjælpe os med at forstå, hvorfor det fejler - ikke bare at det fejler, men hvad der forårsager fejlen. Vi kan undersøge tingene meget anderledes, end du kan fra en test, hvor du ikke kan hugge alt op i mikroskopiske stykker og se, hvor mange dele du skal undersøge, før du virkelig forstår. "

Tag en mobiltelefon som et eksempel. "Telefoner består af plast og glas og andre typer materialer. Ligninger styrer, hvordan disse materialer opfører sig, og vi anvender disse ligninger på disse materialer i form af en telefon, "Sagde Jamison." Så anvender vi forskellige miljøer, såsom at tabe din telefon. Vi simulerer det i en computer, og gennem ligningerne, der repræsenterer disse materialer, kan vi afgøre, om glasset eller en anden komponent i telefonen går i stykker. "

For at give præcise kvantitative svar, forskere skal forstå de belastninger, materialer står over for. Det er svært at måle stress selv, så forskere måler den resulterende belastning eller deformation. For eksempel, de vil skubbe et stift værktøj ind i et sprødt materiale og måle, hvordan revner spredes for at udlede stresstilstanden.

De måler også materialegenskaber. "Det er lidt lettere, fordi du måler den direkte reaktion fra et materiale på grund af en kendt belastning, der påføres, "Sagde Elisberg." Når vi har materielle egenskaber, har vi større tillid til, at vores modeller præcist forudsiger stress. Problemet er, at vi stadig skal finde ud af, hvilken stress der kræves for at bryde materialet. "

Sofistikerede modeller, supercomputere gør det muligt at simulere kompleksitet

Takket være mere sofistikeret modellering og stadig forbedrede supercomputere, simuleringer er blevet mere komplekse, fange materialer adfærd uopdagelig selv for kort tid siden.

Stadig, ekstremt sofistikerede modeller tager tid at køre selv med supercomputere. Sidste sommer, Elisberg kørte en simulering i 72 timer på hundredvis af processorer, simulerer en meget lang række termiske testcyklusser. Det ville have været umuligt for to år siden på grund af utilstrækkelig computerbehandlingskraft og modeller, der ikke var sofistikerede nok til at fange den fysik, der interesserer Sandia.

Teamet bestemmer også, hvor meget kompleksitet der er nødvendig.

"Hvis komponentdesignere bare vil vide, at Design A er bedre end Design B, Det kan jeg fortælle dig hurtigt, "Sagde Elisberg." Hvis du vil vide mere specifikt, om og hvornår Design A kommer til at mislykkes, så er det, når vi kører en mere kompleks simulering, der kan køre på en computer i flere dage, men nu har vi kapaciteten, hvor vi kan forudsige eller i det mindste få en meget bedre idé om, hvornår designet nærmer sig fejl. "

Jamison og Elisberg arbejder med glas-til-metal sæler, komponenter, der er afgørende for at sende elektriske signaler gennem hermetisk lukkede systemer. Glas-til-metal sæler er allestedsnærværende i alt fra medicinsk udstyr til telekommunikation, der står over for høje temperaturer, tryk eller stød. De er også vigtige i nationale sikkerhedsanvendelser, der har meget hårdere overlevelsesevne og krav til levetid, Elisberg og Jamison sagde.

"Levetidskravet er, hvor vi forsøger at gå hen med dette program for forudsigelse af skøre materialer, "Jamison sagde." Lige nu kan vi forudsige, hvad der ville ske med disse glas-til-metal-tætninger og give kvalitativ vejledning til designere og ingeniører. Men vi har den højere konsekvensapplikation. Vi skal med en vis grad kunne sige, at disse komponenter holder i 30 år, og få en forklaring på materialer og videnskab hvorfor. "

Det næste trin er eksperimenter for at validere livstidsforudsigelserne. "Vi mener, at adfærden modelleres præcist, men den skal stadig valideres i mere komplekse applikationer, Sagde Elisberg.

"Det er det ægteskab med eksperimenter og modellering, "Sagde Jamison." Med opdagelser, som eksperimentelle har gjort, med fremskridt i den modellering, vi har gjort, vi kan tage den information, eksperimentisterne observerer, læg det i modellerne og lav mere præcise forudsigelser. "