挑战预测形状和制造复杂的金属将如何破裂

自从人们开始锻造和加工金属以来，可以说他们一直对金属的断裂感兴趣。但是直到1950年代，科学家和工程师才有了一个数学框架，可以使用实验室对材料破坏的测量结果来预测结构的抗裂性。

桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)的材料科学家布拉德·博伊斯(Brad Boyce)表示：“这些工具对玻璃等脆性材料非常有效，但对其他材料却常常不起作用。”

知道现有理论的研究人员仍然难以预测具有复杂微观结构或3-D打印制成的材料的材料的断裂。它们也不适用于韧性金属(例如某些钢)，它们在断裂前会变形和拉伸。

在世界范围内，材料科学家和工程师正在尝试不同的方法来预测易延展金属的断裂，但尚不清楚哪种方法最准确。为了比较不同的方法，桑迪亚的研究人员向同事提出了三个自愿挑战：在有关金属零件的形状，成分和载荷的基本信息相同的情况下，他们可以预测金属零件最终会破裂吗?

最近在国际骨折杂志的特刊中发表了第三次桑迪亚骨折挑战的概述，专门针对挑战的结果。现在，友好的竞争已经转变为研究人员的协作社区，他们在研究他们的技术以改进由多种材料制成的可靠结构的技术。

向广大社区学习

通常，像这样的预测需要反复进行实验测量和计算，以使建模基本上根据已知的裂缝数据进行校准。但是，对于这些挑战，参与者直到比赛结束后才知道实际结果。

第一个挑战于2012年夏季举行，吸引了来自大学，国家实验室和公司的13个研究团队，以预测常见不锈钢合金中的裂纹萌生和扩展。他们都收到了相同的试件工程图，材料微观结构的显微镜图像，有关材料的断裂韧性的数据以及在应变时积累了多少应力的测量结果。然后，每个团队使用自己的方法来预测给定力下的裂纹路径。

同时，未参加预测竞赛的桑迪亚和德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员在实验室中破坏了材料。他们将试件装入机器并拉动它们，直到撕成两半。照相机记录了裂缝的路径，而仪器则测量了样品上的力。

13个预测中没有一个完全符合所有实验结果，尽管许多预测在裂纹形成方面效果很好。仅通过一种情况进行比较，就很难确定哪种预测方法最有效。

两年后，桑迪亚队发出了第二个挑战。这次有14个团队预测了飞机，航天器和医疗设备中常见的钛合金部件的断裂模式。要求团队预测像以前一样在非常缓慢的载荷下以及在快速载荷下的裂纹形成，例如在车祸中经历的裂纹形成。

快速加载提供了一种有趣的情况，因为快速的力会在材料中产生热量，并且几乎没有时间消散热量。博伊斯说，在第二个挑战中，大多数团队没有将热模型和机械模型结合在一起。“但是那些确实倾向于正确处理细节的人。”

第三项挑战于2016年举行，要求研究人员预测使用3D打印机加工的不锈钢​​中的裂纹。3D打印机可以使定制形状无法通过传统制造方法创建，但是在先前的挑战中，与锻造金属相比，印刷金属的微观结构可能更具多孔性。研究人员想知道内部孔隙率是否会使印刷金属断裂比预期的更快。

为应对这一挑战，有21个团队从拉伸测试和详细的微结构成像中获得了广泛的表征数据。所有小组都预测了在实验测试中观察到的裂纹萌生部位和产生的路径。博伊斯说，表现最好的团队参加了先前的挑战，并从这些先前的经验中学到了改进方法。

众包工程挑战

现在，挑战参与者将继续以社区拥有的协作的方式聚集在一起，以形成结构可靠性伙伴关系。大学，工业和国家实验室中的这一组科学家和工程师正在努力改善骨折模型。伙伴关系中有17个机构，合作伙伴在发布结果之前会互相分享结果。

尽管该小组最终可以解决工程可靠性方面的各种预测挑战，但其最初的兴趣包括预测3-D打印金属的物理性质以及研究氢气如何改变氢基础设施中的金属。这样的预测可以帮助工程师更好地理解承受冲击的弹簧或螺栓连接的可靠性，目前对这些弹簧或螺栓连接进行了过度设计，以补偿人们对断裂行为的了解。

结果不仅意味着更安全的结构(如汽车和飞机)，而且还意味着更轻便的车辆更省油。

博伊斯说，未来，该合作伙伴关系的工作可能会扩展到研究塑料和陶瓷，并扩大微观，纳米和原子尺度的断裂行为。

对于博伊斯来说，断裂挑战也激发了他自己的项目，该项目由桑迪亚的实验室指导研究与开发计划资助。显微镜技术的进步意味着材料科学家可以比以往更好地看到材料的微观结构细节。博伊斯(Boyce)正在研究材料中微观空隙的细微细节，以更好地了解材料内部的裂缝是如何在可见之前开始的。