挑戰(zhàn)預(yù)測形狀和制造復(fù)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(xué)家和工程師才有了一個數(shù)學(xué)框架，可以使用實驗室對材料破壞的測量結(jié)果來預(yù)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(xué)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(yù)測具有復(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)，它們在斷裂前會變形和拉伸。

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預(yù)測易延展金屬的斷裂，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(xué)習(xí)

通常，像這樣的預(yù)測需要反復(fù)進行實驗測量和計算，以使建模基本上根據(jù)已知的裂縫數(shù)據(jù)進行校準(zhǔn)。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(xué)，國家實驗室和公司的13個研究團隊，以預(yù)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(guān)材料的斷裂韌性的數(shù)據(jù)以及在應(yīng)變時積累了多少應(yīng)力的測量結(jié)果。然后，每個團隊使用自己的方法來預(yù)測給定力下的裂紋路徑。

同時，未參加預(yù)測競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(yù)測中沒有一個完全符合所有實驗結(jié)果，盡管許多預(yù)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(yù)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(yù)測了飛機，航天器和醫(yī)療設(shè)備中常見的鈦合金部件的斷裂模式。要求團隊預(yù)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(yù)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(yù)期的更快。

為應(yīng)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(yù)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(xué)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(guān)系。大學(xué)，工業(yè)和國家實驗室中的這一組科學(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(yù)測挑戰(zhàn)，但其最初的興趣包括預(yù)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(chǔ)設(shè)施中的金屬。這樣的預(yù)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(shè)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(guān)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(dǎo)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(xué)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。