挑戰(zhàn)預(yù)測(cè)形狀和制造復(fù)雜的金屬將如何破裂

自從人們開(kāi)始鍛造和加工金屬以來(lái)，可以說(shuō)他們一直對(duì)金屬的斷裂感興趣。但是直到1950年代，科學(xué)家和工程師才有了一個(gè)數(shù)學(xué)框架，可以使用實(shí)驗(yàn)室對(duì)材料破壞的測(cè)量結(jié)果來(lái)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的抗裂性。

桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Sandia National Laboratories)的材料科學(xué)家布拉德·博伊斯(Brad Boyce)表示：“這些工具對(duì)玻璃等脆性材料非常有效，但對(duì)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(yù)測(cè)具有復(fù)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?cè)跀嗔亚皶?huì)變形和拉伸。

在世界范圍內(nèi)，材料科學(xué)家和工程師正在嘗試不同的方法來(lái)預(yù)測(cè)易延展金屬的斷裂，但尚不清楚哪種方法最準(zhǔn)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(gè)自愿挑戰(zhàn)：在有關(guān)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(yù)測(cè)金屬零件最終會(huì)破裂嗎?

最近在國(guó)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(mén)針對(duì)挑戰(zhàn)的結(jié)果?，F(xiàn)在，友好的競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)檠芯咳藛T的協(xié)作社區(qū)，他們?cè)谘芯克麄兊募夹g(shù)以改進(jìn)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(xué)習(xí)

通常，像這樣的預(yù)測(cè)需要反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量和計(jì)算，以使建?；旧细鶕?jù)已知的裂縫數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。但是，對(duì)于這些挑戰(zhàn)，參與者直到比賽結(jié)束后才知道實(shí)際結(jié)果。

第一個(gè)挑戰(zhàn)于2012年夏季舉行，吸引了來(lái)自大學(xué)，國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和公司的13個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，以預(yù)測(cè)常見(jiàn)不銹鋼合金中的裂紋萌生和擴(kuò)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(guān)材料的斷裂韌性的數(shù)據(jù)以及在應(yīng)變時(shí)積累了多少應(yīng)力的測(cè)量結(jié)果。然后，每個(gè)團(tuán)隊(duì)使用自己的方法來(lái)預(yù)測(cè)給定力下的裂紋路徑。

同時(shí)，未參加預(yù)測(cè)競(jìng)賽的桑迪亞和德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的研究人員在實(shí)驗(yàn)室中破壞了材料。他們將試件裝入機(jī)器并拉動(dòng)它們，直到撕成兩半。照相機(jī)記錄了裂縫的路徑，而儀器則測(cè)量了樣品上的力。

13個(gè)預(yù)測(cè)中沒(méi)有一個(gè)完全符合所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果，盡管許多預(yù)測(cè)在裂紋形成方面效果很好。僅通過(guò)一種情況進(jìn)行比較，就很難確定哪種預(yù)測(cè)方法最有效。

兩年后，桑迪亞隊(duì)發(fā)出了第二個(gè)挑戰(zhàn)。這次有14個(gè)團(tuán)隊(duì)預(yù)測(cè)了飛機(jī)，航天器和醫(yī)療設(shè)備中常見(jiàn)的鈦合金部件的斷裂模式。要求團(tuán)隊(duì)預(yù)測(cè)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?yàn)榭焖俚牧?huì)在材料中產(chǎn)生熱量，并且?guī)缀鯖](méi)有時(shí)間消散熱量。博伊斯說(shuō)，在第二個(gè)挑戰(zhàn)中，大多數(shù)團(tuán)隊(duì)沒(méi)有將熱模型和機(jī)械模型結(jié)合在一起。“但是那些確實(shí)傾向于正確處理細(xì)節(jié)的人。”

第三項(xiàng)挑戰(zhàn)于2016年舉行，要求研究人員預(yù)測(cè)使用3D打印機(jī)加工的不銹鋼??中的裂紋。3D打印機(jī)可以使定制形狀無(wú)法通過(guò)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(huì)使印刷金屬斷裂比預(yù)期的更快。

為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，有21個(gè)團(tuán)隊(duì)從拉伸測(cè)試和詳細(xì)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(yù)測(cè)了在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中觀察到的裂紋萌生部位和產(chǎn)生的路徑。博伊斯說(shuō)，表現(xiàn)最好的團(tuán)隊(duì)參加了先前的挑戰(zhàn)，并從這些先前的經(jīng)驗(yàn)中學(xué)到了改進(jìn)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(guān)系。大學(xué)，工業(yè)和國(guó)家實(shí)驗(yàn)室中的這一組科學(xué)家和工程師正在努力改善骨折模型?；锇殛P(guān)系中有17個(gè)機(jī)構(gòu)，合作伙伴在發(fā)布結(jié)果之前會(huì)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(yù)測(cè)挑戰(zhàn)，但其最初的興趣包括預(yù)測(cè)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(chǔ)設(shè)施中的金屬。這樣的預(yù)測(cè)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(duì)這些彈簧或螺栓連接進(jìn)行了過(guò)度設(shè)計(jì)，以補(bǔ)償人們對(duì)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(jī))，而且還意味著更輕便的車輛更省油。

博伊斯說(shuō)，未來(lái)，該合作伙伴關(guān)系的工作可能會(huì)擴(kuò)展到研究塑料和陶瓷，并擴(kuò)大微觀，納米和原子尺度的斷裂行為。

對(duì)于博伊斯來(lái)說(shuō)，斷裂挑戰(zhàn)也激發(fā)了他自己的項(xiàng)目，該項(xiàng)目由桑迪亞的實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)研究與開(kāi)發(fā)計(jì)劃資助。顯微鏡技術(shù)的進(jìn)步意味著材料科學(xué)家可以比以往更好地看到材料的微觀結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。博伊斯(Boyce)正在研究材料中微觀空隙的細(xì)微細(xì)節(jié)，以更好地了解材料內(nèi)部的裂縫是如何在可見(jiàn)之前開(kāi)始的。