Eftersom människor började smide och arbeta med metall, de har utan tvekan varit intresserade av hur det går sönder. Men bara sedan 1950 -talet har forskare och ingenjörer haft en matematisk ram för att använda laboratoriemätningar av materialfel för att förutsäga en strukturs motståndskraft mot sprickbildning.

"Dessa verktyg fungerar bra för spröda material, som glas, men ofta inte för andra material, sa Brad Boyce, materialvetare vid Sandia National Laboratories.

Forskare som känner till de befintliga teorierna kämpar fortfarande med att förutsäga sprickor i material med komplexa mikrostrukturer eller komponenter gjorda med 3D-utskrift. De fungerar inte heller bra för segbara metaller, som vissa stål, som deformeras och sträcker sig innan de går sönder.

Runt världen, materialforskare och ingenjörer försöker olika sätt att förutsäga frakturer i segbara metaller, men det är inte klart vilket tillvägagångssätt som är mest korrekt. För att jämföra de olika metoderna, Sandia -forskare har presenterat tre frivilliga utmaningar för sina kollegor:Med tanke på samma grundläggande information om formen, sammansättning och lastning av en metalldel, kan de förutsäga hur det så småningom skulle spricka?

En översikt över den tredje Sandia Fracture Challenge publicerades nyligen i ett specialnummer av International Journal of Fracture för resultat från utmaningen. Nu har den vänliga tävlingen förskjutits till en samarbetsgrupp av forskare som förfinar sina tekniker för att konstruera pålitliga strukturer gjorda av olika material.

Att lära av det breda samhället

Vanligtvis, förutsägelser som dessa innebär upprepade omgångar av experimentella mätningar och beräkningar, så att modelleringen i huvudsak kalibreras till kända sprickdata. För dessa utmaningar, dock, Deltagarna visste inte det verkliga resultatet förrän efter tävlingens slut.

Den första utmaningen, hölls sommaren 2012, lockade 13 forskargrupper från universitet, nationella laboratorier och företag för att förutsäga sprickstart och spridning i en vanlig rostfri legering. De fick alla samma tekniska ritning av provstycket, mikroskopbilder av materialets mikrostruktur, data om materialets sprickfasthet och mätningar av hur mycket spänning det samlade sig vid ansträngning. Sedan, varje lag använde sin egen metod för att förutsäga en sprickväg under en viss mängd kraft.

Under tiden, grupper av forskare vid Sandia och vid University of Texas i Austin, som inte deltog i förutsägelsestävlingen, brutit materialet i sina laboratorier. De laddade testbitar i maskiner och drog på dem tills de slet i hälften. Kameror registrerade sprickvägarna, medan instrument mätte mängden kraft på proverna.

Ingen av de 13 förutsägelserna matchade helt alla experimentella resultat, även om många fungerade bra för aspekter av sprickbildning. Med bara en situation för jämförelse, det var svårt att avgöra vilka förutsägelsemetoder som var mest effektiva.

Två år senare, Sandia -teamet utfärdade en andra utmaning. Den här gången förutspådde 14 lag sprickmönstret i en komponent gjord av en titanlegering som är vanlig i flygplan, rymdfarkoster och medicinsk utrustning. Lagen ombads att förutsäga sprickbildning från mycket långsam lastning som tidigare och under snabb lastning, som den som upplevdes vid en bilolycka.

Snabb laddning ger en intressant situation eftersom snabb kraft skapar värme i materialet och lämnar lite tid för värmen att försvinna. I den andra utmaningen, de flesta lag kombinerade inte termisk och mekanisk modellering, Sa Boyce. "Men de som gjorde tenderade att få detaljerna rätt."

Den tredje utmaningen, hölls 2016, bad forskare att förutsäga sprickor i rostfritt stål som bearbetas med en 3D-skrivare. En 3D-skrivare kan göra anpassade former omöjliga att skapa genom traditionella tillverkningsmetoder, men mikrostrukturen hos tryckta metaller kan vara mer porös än smidda metaller i tidigare utmaningar. Forskarna undrade om den inre porositeten kunde göra att tryckta metaller bryts tidigare än väntat.

För denna utmaning, 21 team fick omfattande karakteriseringsdata från dragprov och detaljerad mikrostrukturell avbildning. Alla lag förutspådde sprickinitieringsplatsen och den resulterande vägen som observerades under experimentella tester. Teamet med den bästa prestationen hade deltagit i de tidigare utmaningarna och lärt sig av de tidigare erfarenheterna för att förbättra sitt tillvägagångssätt, Sa Boyce.

Crowdsharing tekniska utmaningar

Nu, utmaningsdeltagarna fortsätter som ett samhällsägt samarbete, samlas för att bilda strukturellt tillförlitlighetspartnerskap. Denna grupp forskare och ingenjörer vid universitet, industrin och nationella laboratorier arbetar med att förbättra modeller för fraktur. Det finns 17 institutioner i partnerskapet, och partner delar resultat med varandra innan de publiceras.

Medan gruppen så småningom kan hantera en mängd olika förutsägelseutmaningar för att konstruera tillförlitlighet, några av dess initiala intressen inkluderar att förutsäga fysikaliska egenskaper hos 3D-tryckta metaller och studera hur vätgas förändrar metall i väteinfrastruktur. Sådana förutsägelser kan hjälpa ingenjörer att bättre förstå tillförlitligheten hos stötdämpade fjädrar eller skruvförband, som för närvarande är överdesignade för att kompensera för dåligt förstådda sprickbeteenden.

Resultatet innebär inte bara säkrare strukturer som bilar och flygplan, men också lättare fordon som är mer bränsleeffektiva.

I framtiden, partnerskapets insatser kan utvidgas till att studera plast och keramik, och zooma in i frakturbeteende vid mikro-, nano- och atomistiska skalor, Sa Boyce.

För Boyce, frakturutmaningarna inspirerade också hans eget projekt, finansierat av Sandias program för forskning och utveckling på laboratoriet. Framsteg inom mikroskopteknologi innebär att materialforskare kan se mikrostrukturella detaljer om material bättre än någonsin tidigare. Boyce studerar subtila detaljer om mikroskopiska tomrum i material för att bättre förstå hur en fraktur börjar inuti ett material innan det syns.