Udfordring forudsiger, hvordan metaller med komplekse former og fremstilling vil bryde

Siden folk begyndte at smede og arbejde med metal, de har uden tvivl været interesseret i, hvordan det går i stykker. Men først siden 1950'erne har videnskabsmænd og ingeniører haft en matematisk ramme for at bruge laboratoriemålinger af materialesvigt til at forudsige en strukturs modstand mod revner.

"Disse værktøjer fungerer godt til sprøde materialer, såsom glas, men ofte ikke for andre materialer, " sagde Brad Boyce, en materialeforsker ved Sandia National Laboratories.

Forskere, der kender de eksisterende teorier, kæmper stadig med at forudsige brud i materialer med komplekse mikrostrukturer eller komponenter lavet med 3-D-print. De fungerer heller ikke godt for duktile metaller, såsom nogle stål, der deformeres og strækkes, før de brækker.

Jorden rundt, materialeforskere og ingeniører forsøger forskellige måder at forudsige brud i duktile metaller, men det er ikke klart, hvilken tilgang der er mest præcis. For at sammenligne de forskellige metoder, Sandia-forskere har præsenteret tre frivillige udfordringer for deres kolleger:Givet den samme grundlæggende information om formen, sammensætning og belastning af en metaldel, kunne de forudsige, hvordan det i sidste ende ville bryde?

En oversigt over den tredje Sandia Fracture Challenge blev for nylig offentliggjort i et specialnummer af International Journal of Fracture dedikeret til resultater fra udfordringen. Nu er den venlige konkurrence skiftet til et samarbejdsfællesskab af forskere, der forfiner deres teknikker til at konstruere pålidelige strukturer lavet af en række forskellige materialer.

At lære af det brede samfund

Typisk, forudsigelser som disse involverer gentagne runder af eksperimentelle målinger og beregninger, således at modelleringen i det væsentlige er kalibreret til kendte frakturdata. Til disse udfordringer, imidlertid, deltagerne kendte først det faktiske resultat efter konkurrencens afslutning.

Den første udfordring, afholdt i sommeren 2012, tiltrak 13 teams af forskere fra universiteter, nationale laboratorier og virksomheder til at forudsige revneinitiering og spredning i en almindelig rustfri stållegering. De modtog alle den samme tekniske tegning af prøveemnet, mikroskopbilleder af materialets mikrostruktur, data om materialets brudsejhed og målinger af, hvor meget spænding det akkumulerede ved belastning. Derefter, hvert hold anvendte sin egen metode til at forudsige en revnes vej under en given mængde kraft.

I mellemtiden grupper af forskere ved Sandia og ved University of Texas i Austin, som ikke deltog i forudsigelseskonkurrencen, brækkede materialet i deres laboratorier. De læssede prøvestykker i maskiner og trak i dem, indtil de rev i halve. Kameraer optog revnestierne, mens instrumenter målte mængden af ​​kraft på prøverne.

Ingen af ​​de 13 forudsigelser matchede fuldstændigt alle eksperimentelle resultater, selvom mange arbejdede godt for aspekter af revnedannelse. Med kun én situation til sammenligning, det var svært at afgøre, hvilke forudsigelsesmetoder der var mest effektive.

To år senere, Sandia-teamet udsendte en anden udfordring. Denne gang forudsagde 14 hold brudmønsteret i en komponent lavet af en titanlegering, der er almindelig i fly, rumfartøjer og medicinsk udstyr. Holdene blev bedt om at forudsige revnedannelse fra meget langsom belastning som før og under hurtig belastning, som det oplevede i en bilulykke.

Hurtig belastning giver en interessant situation, fordi hurtig kraft skaber varme i materialet og giver lidt tid til varmen at sprede sig. I den anden udfordring, de fleste hold kombinerede ikke termisk og mekanisk modellering, sagde Boyce. "Men dem, der gjorde, havde en tendens til at få detaljerne rigtige."

Den tredje udfordring, afholdt i 2016, bedt forskere om at forudsige revner i rustfrit stål bearbejdet med en 3-D-printer. En 3-D printer kan gøre brugerdefinerede former umulige at skabe gennem traditionelle fremstillingsmetoder, men mikrostrukturen af ​​trykte metaller kan være mere porøse end smedede metaller i tidligere udfordringer. Forskerne spekulerede på, om den indre porøsitet kunne få trykte metaller til at bryde hurtigere end forventet.

Til denne udfordring, 21 hold modtog omfattende karakteriseringsdata fra træktest og detaljeret mikrostrukturel billeddannelse. Alle hold forudsagde revneinitieringsstedet og den resulterende vej observeret under eksperimentelle tests. Holdet med den bedste præstation havde deltaget i de tidligere udfordringer og lært af disse tidligere erfaringer for at forbedre deres tilgang, sagde Boyce.

Crowdsharing tekniske udfordringer

Nu, udfordringsdeltagerne fortsætter som et samfundsejet samarbejde, samles for at danne det strukturelle pålidelighedspartnerskab. Denne gruppe af videnskabsmænd og ingeniører på universiteter, industri og nationale laboratorier arbejder på at forbedre modeller for brud. Der er 17 institutioner i partnerskabet, og partnere deler resultater med hinanden, før de offentliggøres.

Mens gruppen i sidste ende kan tackle en lang række forudsigelsesudfordringer til ingeniørens pålidelighed, nogle af dets oprindelige interesser inkluderer at forudsige fysiske egenskaber af 3-D-printede metaller og at studere, hvordan brintgas ændrer metal i brintinfrastruktur. Forudsigelser som disse kunne hjælpe ingeniører med bedre at forstå pålideligheden af ​​stødbelastede fjedre eller bolteforbindelser, som i øjeblikket er overdesignet til at kompensere for dårligt forstået frakturadfærd.

Resultatet betyder ikke kun sikrere strukturer som biler og fly, men også lettere køretøjer, der er mere brændstoføkonomiske.

I fremtiden, partnerskabets indsats kunne udvides til at studere plastik og keramik, og zoom ind på brudadfærd ved mikro-, nano- og atomistiske skalaer, sagde Boyce.

For Boyce, brududfordringerne inspirerede også hans eget projekt, finansieret af Sandias Laboratory Directed Research and Development-program. Fremskridt inden for mikroskopteknologi betyder, at materialeforskere kan se mikrostrukturelle detaljer i materialer bedre end nogensinde før. Boyce studerer subtile detaljer om mikroskopiske hulrum i materialer for bedre at forstå, hvordan et brud begynder inde i et materiale, før det er synligt.