挑戰(zhàn)預測形狀和制造復雜的金屬將如何破裂

自從人們開始鍛造和加工金屬以來，可以說他們一直對金屬的斷裂感興趣。但是直到1950年代，科學家和工程師才有了一個數(shù)學框架，可以使用實驗室對材料破壞的測量結(jié)果來預測結(jié)構(gòu)的抗裂性。

桑迪亞國家實驗室(Sandia National Laboratories)的材料科學家布拉德·博伊斯(Brad Boyce)表示：“這些工具對玻璃等脆性材料非常有效，但對其他材料卻常常不起作用。”

知道現(xiàn)有理論的研究人員仍然難以預測具有復雜微觀結(jié)構(gòu)或3-D打印制成的材料的材料的斷裂。它們也不適用于韌性金屬(例如某些鋼)，它們在斷裂前會變形和拉伸。

在世界范圍內(nèi)，材料科學家和工程師正在嘗試不同的方法來預測易延展金屬的斷裂，但尚不清楚哪種方法最準確。為了比較不同的方法，桑迪亞的研究人員向同事提出了三個自愿挑戰(zhàn)：在有關金屬零件的形狀，成分和載荷的基本信息相同的情況下，他們可以預測金屬零件最終會破裂嗎?

最近在國際骨折雜志的特刊中發(fā)表了第三次桑迪亞骨折挑戰(zhàn)的概述，專門針對挑戰(zhàn)的結(jié)果?，F(xiàn)在，友好的競爭已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)檠芯咳藛T的協(xié)作社區(qū)，他們在研究他們的技術(shù)以改進由多種材料制成的可靠結(jié)構(gòu)的技術(shù)。

向廣大社區(qū)學習

通常，像這樣的預測需要反復進行實驗測量和計算，以使建?；旧细鶕?jù)已知的裂縫數(shù)據(jù)進行校準。但是，對于這些挑戰(zhàn)，參與者直到比賽結(jié)束后才知道實際結(jié)果。

第一個挑戰(zhàn)于2012年夏季舉行，吸引了來自大學，國家實驗室和公司的13個研究團隊，以預測常見不銹鋼合金中的裂紋萌生和擴展。他們都收到了相同的試件工程圖，材料微觀結(jié)構(gòu)的顯微鏡圖像，有關材料的斷裂韌性的數(shù)據(jù)以及在應變時積累了多少應力的測量結(jié)果。然后，每個團隊使用自己的方法來預測給定力下的裂紋路徑。

同時，未參加預測競賽的桑迪亞和德克薩斯大學奧斯汀分校的研究人員在實驗室中破壞了材料。他們將試件裝入機器并拉動它們，直到撕成兩半。照相機記錄了裂縫的路徑，而儀器則測量了樣品上的力。

13個預測中沒有一個完全符合所有實驗結(jié)果，盡管許多預測在裂紋形成方面效果很好。僅通過一種情況進行比較，就很難確定哪種預測方法最有效。

兩年后，桑迪亞隊發(fā)出了第二個挑戰(zhàn)。這次有14個團隊預測了飛機，航天器和醫(yī)療設備中常見的鈦合金部件的斷裂模式。要求團隊預測像以前一樣在非常緩慢的載荷下以及在快速載荷下的裂紋形成，例如在車禍中經(jīng)歷的裂紋形成。

快速加載提供了一種有趣的情況，因為快速的力會在材料中產(chǎn)生熱量，并且?guī)缀鯖]有時間消散熱量。博伊斯說，在第二個挑戰(zhàn)中，大多數(shù)團隊沒有將熱模型和機械模型結(jié)合在一起。“但是那些確實傾向于正確處理細節(jié)的人。”

第三項挑戰(zhàn)于2016年舉行，要求研究人員預測使用3D打印機加工的不銹鋼??中的裂紋。3D打印機可以使定制形狀無法通過傳統(tǒng)制造方法創(chuàng)建，但是在先前的挑戰(zhàn)中，與鍛造金屬相比，印刷金屬的微觀結(jié)構(gòu)可能更具多孔性。研究人員想知道內(nèi)部孔隙率是否會使印刷金屬斷裂比預期的更快。

為應對這一挑戰(zhàn)，有21個團隊從拉伸測試和詳細的微結(jié)構(gòu)成像中獲得了廣泛的表征數(shù)據(jù)。所有小組都預測了在實驗測試中觀察到的裂紋萌生部位和產(chǎn)生的路徑。博伊斯說，表現(xiàn)最好的團隊參加了先前的挑戰(zhàn)，并從這些先前的經(jīng)驗中學到了改進方法。

眾包工程挑戰(zhàn)

現(xiàn)在，挑戰(zhàn)參與者將繼續(xù)以社區(qū)擁有的協(xié)作的方式聚集在一起，以形成結(jié)構(gòu)可靠性伙伴關系。大學，工業(yè)和國家實驗室中的這一組科學家和工程師正在努力改善骨折模型?；锇殛P系中有17個機構(gòu)，合作伙伴在發(fā)布結(jié)果之前會互相分享結(jié)果。

盡管該小組最終可以解決工程可靠性方面的各種預測挑戰(zhàn)，但其最初的興趣包括預測3-D打印金屬的物理性質(zhì)以及研究氫氣如何改變氫基礎設施中的金屬。這樣的預測可以幫助工程師更好地理解承受沖擊的彈簧或螺栓連接的可靠性，目前對這些彈簧或螺栓連接進行了過度設計，以補償人們對斷裂行為的了解。

結(jié)果不僅意味著更安全的結(jié)構(gòu)(如汽車和飛機)，而且還意味著更輕便的車輛更省油。

博伊斯說，未來，該合作伙伴關系的工作可能會擴展到研究塑料和陶瓷，并擴大微觀，納米和原子尺度的斷裂行為。

對于博伊斯來說，斷裂挑戰(zhàn)也激發(fā)了他自己的項目，該項目由桑迪亞的實驗室指導研究與開發(fā)計劃資助。顯微鏡技術(shù)的進步意味著材料科學家可以比以往更好地看到材料的微觀結(jié)構(gòu)細節(jié)。博伊斯(Boyce)正在研究材料中微觀空隙的細微細節(jié)，以更好地了解材料內(nèi)部的裂縫是如何在可見之前開始的。