Sinds mensen begonnen met het smeden en bewerken van metaal, ze zijn aantoonbaar geïnteresseerd geweest in hoe het breekt. Maar pas sinds de jaren vijftig hebben wetenschappers en ingenieurs een wiskundig raamwerk om laboratoriummetingen van materiaalfalen te gebruiken om de weerstand van een structuur tegen scheuren te voorspellen.

"Deze gereedschappen werken goed voor brosse materialen, zoals glas, maar vaak niet voor andere materialen, " zei Brad Boyce, een materiaalwetenschapper bij Sandia National Laboratories.

Onderzoekers die de bestaande theorieën kennen, worstelen nog steeds met het voorspellen van breuken in materialen met complexe microstructuren of componenten gemaakt met 3D-printen. Ze werken ook niet goed voor ductiele metalen, zoals sommige staalsoorten, die vervormen en uitrekken voordat ze breken.

Rond de wereld, materiaalwetenschappers en ingenieurs proberen verschillende manieren om breuken in ductiele metalen te voorspellen, maar het is niet duidelijk welke benadering het meest nauwkeurig is. Om de verschillende methoden te vergelijken, Sandia-onderzoekers hebben hun collega's drie vrijwillige uitdagingen voorgelegd:Gegeven dezelfde basisinformatie over de vorm, samenstelling en belading van een metalen onderdeel, konden ze voorspellen hoe het uiteindelijk zou breken?

Een overzicht van de derde Sandia Fracture Challenge is onlangs gepubliceerd in een speciale uitgave van het International Journal of Fracture, gewijd aan de resultaten van de challenge. Nu is de vriendelijke concurrentie verschoven naar een samenwerkende gemeenschap van onderzoekers die hun technieken verfijnen voor het ontwerpen van betrouwbare constructies gemaakt van een verscheidenheid aan materialen.

Leren van de brede gemeenschap

Typisch, voorspellingen zoals deze omvatten herhaalde rondes van experimentele metingen en berekeningen, zodat de modellering in wezen is gekalibreerd op bekende breukgegevens. Voor deze uitdagingen echter, deelnemers wisten pas na het einde van de wedstrijd wat de werkelijke uitslag was.

De eerste uitdaging, gehouden in de zomer van 2012, trok 13 teams van onderzoekers van universiteiten, nationale laboratoria en bedrijven om scheurinitiatie en -uitbreiding in een gemeenschappelijke roestvrijstalen legering te voorspellen. Ze kregen allemaal dezelfde technische tekening van het proefstuk, microscoopbeelden van de microstructuur van het materiaal, gegevens over de breuktaaiheid van het materiaal en metingen van de hoeveelheid spanning die het ophoopte wanneer het werd gespannen. Vervolgens, elk team paste zijn eigen methode toe om het pad van een scheur onder een bepaalde hoeveelheid kracht te voorspellen.

In de tussentijd, groepen onderzoekers aan Sandia en aan de Universiteit van Texas in Austin, die niet deelnamen aan de voorspellingswedstrijd, brak het materiaal in hun laboratoria. Ze laadden proefstukken in machines en trokken eraan totdat ze doormidden scheurden. Camera's legden de scheurpaden vast, terwijl instrumenten de hoeveelheid kracht op de monsters maten.

Geen van de 13 voorspellingen kwam volledig overeen met alle experimentele resultaten, hoewel velen goed werkten voor aspecten van scheurvorming. Met slechts één situatie ter vergelijking, het was moeilijk om te bepalen welke voorspellingsmethoden het meest effectief waren.

Twee jaar later, het Sandia-team gaf een tweede uitdaging uit. Deze keer voorspelden 14 teams het breukpatroon in een onderdeel gemaakt van een titaniumlegering die veel voorkomt in vliegtuigen, ruimtevaartuigen en medische apparaten. De teams werd gevraagd om scheurvorming te voorspellen bij zeer langzame belasting zoals voorheen en bij snelle belasting, zoals die ervaren bij een auto-ongeluk.

Snel laden levert een interessante situatie op omdat bij snelle kracht warmte in het materiaal ontstaat en er weinig tijd is om de warmte af te voeren. Bij de tweede uitdaging de meeste teams combineerden geen thermische en mechanische modellering, zei Boyce. "Maar degenen die dat wel deden, hadden de neiging om de details goed te krijgen."

De derde uitdaging, gehouden in 2016, vroeg onderzoekers om scheuren te voorspellen in roestvrij staal dat met een 3D-printer is bewerkt. Een 3D-printer kan het onmogelijk maken om aangepaste vormen te maken via traditionele productiemethoden, maar de microstructuur van gedrukte metalen kan poreuzer zijn dan gesmede metalen in eerdere uitdagingen. De onderzoekers vroegen zich af of de interne porositeit ervoor zou kunnen zorgen dat gedrukte metalen sneller breken dan verwacht.

Voor deze uitdaging 21 teams ontvingen uitgebreide karakteriseringsgegevens van trekproeven en gedetailleerde microstructurele beeldvorming. Alle teams voorspelden de plaats van scheurinitiatie en het resulterende pad dat werd waargenomen tijdens experimentele tests. Het team met de beste prestaties had deelgenomen aan de vorige uitdagingen en leerde van die eerdere ervaringen om hun aanpak te verbeteren, zei Boyce.

Crowdsharing technische uitdagingen

Nutsvoorzieningen, de uitdaging die deelnemers aangaan als een gemeenschapsgerichte samenwerking, samenkomen om het Structural Reliability Partnership te vormen. Deze groep wetenschappers en ingenieurs aan universiteiten, industrie en nationale laboratoria werken aan het verbeteren van breukmodellen. Er zijn 17 instellingen in het partnerschap, en partners delen resultaten met elkaar voordat ze worden gepubliceerd.

Hoewel de groep uiteindelijk een breed scala aan voorspellingsuitdagingen kan aanpakken om de betrouwbaarheid te verbeteren, enkele van zijn aanvankelijke interesses zijn het voorspellen van fysieke eigenschappen van 3D-geprinte metalen en het bestuderen van hoe waterstofgas metaal in waterstofinfrastructuur verandert. Voorspellingen zoals deze kunnen ingenieurs helpen de betrouwbaarheid van schokbelaste veren of boutverbindingen beter te begrijpen, die momenteel overontworpen zijn om slecht begrepen breukgedrag te compenseren.

Het resultaat betekent niet alleen veiliger constructies zoals auto's en vliegtuigen, maar ook lichtere voertuigen die zuiniger zijn.

In de toekomst, de inspanningen van het partnerschap kunnen worden uitgebreid om kunststoffen en keramiek te bestuderen, en zoom in op breukgedrag bij de micro-, nano- en atomistische schalen, zei Boyce.

voor Boyce, de breukuitdagingen inspireerden ook zijn eigen project, gefinancierd door Sandia's Laboratory Directed Research and Development-programma. Vooruitgang in microscooptechnologie betekent dat materiaalwetenschappers microstructurele details van materialen beter dan ooit tevoren kunnen zien. Boyce bestudeert subtiele details van microscopisch kleine holtes in materialen om beter te begrijpen hoe een breuk in een materiaal begint voordat het zichtbaar is.