Om du vill se vad som händer om din telefon faller på betong, du kan faktiskt släppa den eller låta en ingenjör räkna ut konsekvenserna i förväg.

Oddsen är att du går med ingenjören.

Ta reda på hur spröda material inuti en enhet beter sig, och misslyckas, är ett mål för Sandia National Laboratories 'Brittle Materials Assurance Prediction Program (BritMAPP). Programmet, som startade för två år sedan och pågår till 2020, studerar spröda material på tre sätt:stress och belastning; frakturmekanik för att se hur sprickor startar och utvecklas; och förhållandet mellan materialegenskaper och struktur.

Spröda material, som glas, misslyckas plötsligt och katastrofalt. Till skillnad från metaller, vilken bock eller böjning om den tappas, spröda material går bara sönder. "Du tappar en hammare, och det kan böja sig; du tappar glas och det går sönder. Det är gjort, "sa Ryan Jamison, som arbetar med Brenton Elisberg och andra kollegor om stress- och laddningsdelen av projektet.

De fokuserar på hur plötsligt misslyckande påverkar prestandan, tillförlitlighet och säkerhet för komponenter och system där brytning har allvarliga konsekvenser, såsom medicinsk utrustning eller satelliter.

Starkare spröda material som kan hantera vardagsslingorna och pilarna kommer att gynna alla typer av enheter och i slutändan, människorna som använder dessa enheter. Någon dag, det kanske inte är så oroande när du av misstag tappar en mobiltelefon.

Sandia vill utveckla vetenskapen, teknik och förståelse för att säkerställa att sköra komponenter i högkonsekvenssystem förblir fullt fungerande under en 30-årig livslängd. BritMAPP -forskare utvecklar mekanikmodeller och upptäcker grundläggande egenskaper och strukturrelationer så att de kan övergå från kvalitativ teknisk bedömning till kvantitativa förutsägelser om sprött materialfel och tillförlitlighet.

Kvalitativa tekniska bedömningar är beslut baserade på erfarenhet och jämförande resultat - A är bättre än B - medan kvantitativa förutsägelser är korrekta baserade på materialets fysiska beteende. "Vi vill gå över från att göra jämförelser, 'A är bättre än B men vi vet verkligen inte hur bra A är, att fatta beslut baserade på mätbara kvaliteter, 'A är bättre än B eftersom A kommer att pågå i 10 år längre än B, "Sa Jamison." Att kunna kvantifiera skillnaden exakt är nyckeln. "

Medan han betonade att det finns mycket arbete att göra, "vi har redan börjat långt på den vägen."

Använda modeller för att förutsäga hur länge delar kommer att hålla

Eftersom det inte är möjligt att testa alla möjliga scenarier, forskare samlar in data för datormodeller genom laboratorieexperiment, mäta materialegenskaper för att förstå hur saker och ting beter sig. Modellerare gör en datorrepresentation av ett objekt och tillämpar sedan fysiska lagar för att förutsäga hur materialen beter sig mekaniskt:vad som händer när de sträcks ut eller kläms.

"Det är här modellering är värdefull, "Jamison sa." Vi kan göra exakta förutsägelser om saker som vi bara inte kan få data för. Det kan hjälpa oss att förstå varför det misslyckas – inte bara att det misslyckas utan vad som orsakar misslyckandet. Vi kan undersöka saker mycket annorlunda än vad du kan från ett test, där du inte kan hugga allt till mikroskopiska bitar och se hur många delar du behöver undersöka innan du verkligen förstår. "

Ta en mobiltelefon som ett exempel. "Telefoner består av plast och glas och andra typer av material. Ekvationer styr hur dessa material beter sig och vi tillämpar dessa ekvationer på dessa material i form av en telefon, "Sa Jamison." Sedan tillämpar vi olika miljöer, som att tappa telefonen. Vi simulerar det i en dator, och genom ekvationerna som representerar dessa material kan vi avgöra om glaset eller någon annan komponent i telefonen går sönder."

För att ge exakta kvantitativa svar, forskare måste förstå de påfrestningar som material står inför. Det är svårt att mäta stressen själv, så forskare mäter den resulterande töjningen eller deformationen. Till exempel, de kommer att skjuta in ett styvt verktyg i ett sprött material och mäta hur sprickor sprids för att utläsa spänningstillståndet.

De mäter också materialegenskaper. "Det är lite lättare eftersom du mäter det direkta svaret från ett material på grund av en känd belastning som appliceras, "Sade Elisberg. "När vi har materialegenskaper har vi mer förtroende för att våra modeller exakt förutsäger stress. Problemet är att vi fortfarande måste ta reda på vilken stress som krävs för att bryta materialet. "

Sofistikerade modeller, superdatorer gör det möjligt att simulera komplexitet

Tack vare mer sofistikerad modellering och ständigt förbättrade superdatorer, simuleringar har blivit mer komplexa, fånga material beteende odetekterbart även för kort tid sedan.

Fortfarande, extremt sofistikerade modeller tar tid att köra även med superdatorer. Förra sommaren, Elisberg körde en simulering i 72 timmar på hundratals processorer, simulerar en mycket lång serie termiska testcykler. Det hade varit omöjligt för två år sedan på grund av otillräcklig datorbearbetningskraft och modeller som inte var sofistikerade nog för att fånga den fysik som intresserar Sandia.

Teamet bestämmer också hur mycket komplexitet som krävs.

"Om komponentdesigners bara vill veta är Design A bättre än Design B, Det kan jag berätta snabbt "Sade Elisberg." Om du vill veta mer specifikt om och när Design A kommer att misslyckas, det är då vi kör en mer komplex simulering som kan köras på en dator i flera dagar, men nu har vi förmågan där vi kan förutsäga eller åtminstone få en mycket bättre uppfattning om när designen är nära att misslyckas. "

Jamison och Elisberg arbetar med tätningar av glas till metall, komponenter som är viktiga för att skicka elektriska signaler genom hermetiskt slutna system. Glas-till-metall-tätningar finns överallt i allt från medicinsk utrustning till telekommunikation som står inför höga temperaturer, tryck eller chock. De är också viktiga för nationella säkerhetsanvändningar som har mycket tuffare överlevnads- och livslängdskrav, sa Elisberg och Jamison.

"Livstidsbehovet är dit vi försöker gå med det här sprittliga materialförsäkringsprogrammet, "Jamison sa." Just nu kan vi göra förutsägelser om vad som skulle hända med dessa glas-till-metall-tätningar och ge kvalitativ vägledning till designers och ingenjörer. Men vi har en tillämpning med högre konsekvens. Vi måste kunna säga med viss grad av säkerhet att dessa komponenter kommer att hålla i 30 år, och ha en material- och vetenskaplig förklaring till varför. "

Nästa steg är experiment för att validera livstidsprognoser. "Vi tror att beteendet modelleras exakt men det måste fortfarande valideras i mer komplexa applikationer, Sa Elisberg.

"Det är det äktenskapet med experiment och modellering, ", sa Jamison. "Med upptäckter som experimentalister har gjort, med framsteg i modelleringen som vi har gjort, vi kan ta den informationen som experimentalisterna observerar, lägg det i modellerna och gör mer exakta förutsägelser. "