Desde que la gente empezó a forjar y trabajar con metal, podría decirse que han estado interesados ​​en cómo se rompe. Pero solo desde la década de 1950 los científicos e ingenieros han tenido un marco matemático para usar las mediciones de laboratorio de fallas de materiales para predecir la resistencia de una estructura al agrietamiento.

"Estas herramientas funcionan bien para materiales frágiles, como el vidrio, pero a menudo no para otros materiales, "dijo Brad Boyce, científico de materiales en Sandia National Laboratories.

Los investigadores que conocen las teorías existentes todavía luchan por predecir fracturas en materiales con microestructuras complejas o componentes hechos con impresión 3D. Tampoco funcionan bien para metales dúctiles, como algunos aceros, que se deforman y estiran antes de fracturarse.

Alrededor del mundo, Los científicos e ingenieros de materiales están probando diferentes formas de predecir fracturas en metales dúctiles, pero no está claro qué enfoque es el más preciso. Para comparar los diferentes métodos, Los investigadores de Sandia han presentado tres desafíos voluntarios a sus colegas:Dada la misma información básica sobre la forma, composición y carga de una pieza metálica, ¿Podrían predecir cómo se fracturaría eventualmente?

Recientemente se publicó una descripción general del tercer desafío Sandia Fracture Challenge en un número especial del International Journal of Fracture dedicado a los resultados del desafío. Ahora, la competencia amistosa se ha convertido en una comunidad colaborativa de investigadores que perfeccionan sus técnicas para diseñar estructuras confiables hechas de una variedad de materiales.

Aprendiendo de la amplia comunidad

Típicamente, predicciones como estas implican rondas repetidas de mediciones y cálculos experimentales, de modo que el modelado se calibra esencialmente con los datos de fracturas conocidos. Para estos desafíos, sin embargo, los participantes no conocieron el resultado real hasta después del final de la competencia.

El primer desafío, celebrada en el verano de 2012, atrajo a 13 equipos de investigadores de universidades, laboratorios y empresas nacionales para predecir la iniciación y propagación de grietas en una aleación de acero inoxidable común. Todos recibieron el mismo dibujo de ingeniería de la pieza de prueba, imágenes microscópicas de la microestructura del material, datos sobre la tenacidad a la fractura del material y medidas de cuánta tensión acumuló cuando se tensó. Luego, cada equipo aplicó su propio método para predecir la trayectoria de una grieta bajo una determinada cantidad de fuerza.

Mientras tanto, grupos de investigadores de Sandia y de la Universidad de Texas en Austin, que no estaban participando en la competencia de predicción, fracturaron el material en sus laboratorios. Cargaron piezas de prueba en máquinas y tiraron de ellas hasta que se partieron por la mitad. Las cámaras registraron los caminos de las grietas mientras que los instrumentos midieron la cantidad de fuerza sobre las muestras.

Ninguna de las 13 predicciones coincidió completamente con todos los resultados experimentales, aunque muchos funcionaron bien para aspectos de formación de grietas. Con solo una situación para comparar, era difícil determinar qué métodos de predicción eran más eficaces.

Dos años después, el equipo de Sandia lanzó un segundo desafío. Esta vez, 14 equipos predijeron el patrón de fractura en un componente hecho de una aleación de titanio común en los aviones. naves espaciales y dispositivos médicos. Se pidió a los equipos que pronosticaran la formación de grietas a partir de una carga muy lenta como antes y bajo una carga rápida. como el experimentado en un accidente automovilístico.

La carga rápida proporciona una situación interesante porque la fuerza rápida crea calor en el material y deja poco tiempo para que el calor se disipe. En el segundo desafío, la mayoría de los equipos no combinaron el modelado térmico y mecánico, Dijo Boyce. "Pero los que lo hicieron tendieron a acertar en los detalles".

El tercer desafío, celebrado en 2016, pidió a los investigadores que predigaran grietas en acero inoxidable mecanizado con una impresora 3-D. Una impresora 3-D puede hacer que las formas personalizadas sean imposibles de crear mediante métodos de fabricación tradicionales, pero la microestructura de los metales impresos puede ser más porosa que la de los metales forjados en desafíos anteriores. Los investigadores se preguntaron si la porosidad interna podría hacer que los metales impresos se fracturaran antes de lo esperado.

Para este desafío, 21 equipos recibieron datos de caracterización extensos de pruebas de tracción e imágenes microestructurales detalladas. Todos los equipos predijeron el sitio de inicio de la grieta y la ruta resultante observada durante las pruebas experimentales. El equipo con mejor desempeño había participado en los desafíos anteriores y aprendido de esas experiencias previas para mejorar su enfoque, Dijo Boyce.

Desafíos de ingeniería de crowdsharing

Ahora, los participantes del desafío continúan como una colaboración de propiedad de la comunidad, reunirse para formar la Asociación de Confiabilidad Estructural. Este grupo de científicos e ingenieros de las universidades, La industria y los laboratorios nacionales están trabajando para mejorar los modelos de fractura. Hay 17 instituciones en la asociación, y los socios comparten los resultados entre sí antes de que se publiquen.

Si bien el grupo puede eventualmente abordar una amplia variedad de desafíos de predicción para diseñar confiabilidad, algunos de sus intereses iniciales incluyen predecir las propiedades físicas de los metales impresos en 3-D y estudiar cómo el gas hidrógeno altera el metal en la infraestructura del hidrógeno. Predicciones como estas podrían ayudar a los ingenieros a comprender mejor la confiabilidad de los resortes cargados por impacto o las uniones atornilladas. que actualmente están sobrediseñados para compensar un comportamiento de fractura poco conocido.

El resultado significa no solo estructuras más seguras como automóviles y aviones, pero también vehículos más ligeros que consumen menos combustible.

En el futuro, los esfuerzos de la asociación podrían expandirse para estudiar plásticos y cerámicas, y amplíe el comportamiento de la fractura en el micro, escalas nano y atomísticas, Dijo Boyce.

Para Boyce, los desafíos de la fractura también inspiraron su propio proyecto, financiado por el programa de investigación y desarrollo dirigido por laboratorios de Sandia. Los avances en la tecnología de microscopios significan que los científicos de materiales pueden ver los detalles microestructurales de los materiales mejor que nunca. Boyce está estudiando detalles sutiles de huecos microscópicos en materiales para comprender mejor cómo comienza una fractura dentro de un material antes de que sea visible.