Da quando le persone hanno iniziato a forgiare e lavorare con il metallo, probabilmente sono stati interessati a come si rompe. Ma solo dagli anni '50 scienziati e ingegneri dispongono di un quadro matematico per l'utilizzo di misurazioni di laboratorio del cedimento del materiale per prevedere la resistenza di una struttura alla fessurazione.

"Questi strumenti funzionano bene per materiali fragili, come il vetro, ma spesso non per altri materiali, "ha detto Brad Boyce, uno scienziato dei materiali presso i Sandia National Laboratories.

I ricercatori che conoscono le teorie esistenti hanno ancora difficoltà a prevedere le fratture in materiali con microstrutture complesse o componenti realizzati con la stampa 3D. Inoltre non funzionano bene per i metalli duttili, come alcuni acciai, che si deformano e si allungano prima di fratturarsi.

Intorno al mondo, scienziati e ingegneri dei materiali stanno provando diversi modi per prevedere le fratture nei metalli duttili, ma non è chiaro quale approccio sia più accurato. Per confrontare i diversi metodi, I ricercatori di Sandia hanno presentato tre sfide volontarie ai loro colleghi:date le stesse informazioni di base sulla forma, composizione e caricamento di una parte metallica, potevano prevedere come alla fine si sarebbe fratturato?

Una panoramica della terza Sandia Fracture Challenge è stata recentemente pubblicata in un numero speciale dell'International Journal of Fracture dedicato ai risultati della sfida. Ora l'amichevole competizione si è trasformata in una comunità collaborativa di ricercatori che perfezionano le proprie tecniche per progettare strutture affidabili realizzate con una varietà di materiali.

Imparare dalla vasta comunità

Tipicamente, previsioni come queste implicano cicli ripetuti di misurazioni e calcoli sperimentali, in modo che la modellazione sia essenzialmente calibrata su dati di frattura noti. Per queste sfide, però, i partecipanti non conoscevano l'effettivo risultato fino a dopo la fine della competizione.

La prima sfida, tenutasi nell'estate 2012, ha attirato 13 team di ricercatori provenienti da università, laboratori e aziende nazionali per prevedere l'inizio e la diffusione delle cricche in una comune lega di acciaio inossidabile. Hanno ricevuto tutti lo stesso disegno tecnico del pezzo di prova, immagini al microscopio della microstruttura del materiale, dati sulla tenacità alla frattura del materiale e misurazioni della tensione accumulata durante la deformazione. Quindi, ogni squadra ha applicato il proprio metodo per prevedere il percorso di una fessura sotto una data quantità di forza.

Nel frattempo, gruppi di ricercatori della Sandia e dell'Università del Texas ad Austin, che non partecipavano alla gara di pronostico, fratturato il materiale nei loro laboratori. Hanno caricato i pezzi di prova nelle macchine e li hanno tirati fino a quando non si sono strappati a metà. Le telecamere hanno registrato i percorsi delle crepe, mentre gli strumenti misuravano la quantità di forza sui campioni.

Nessuna delle 13 previsioni corrispondeva completamente a tutti i risultati sperimentali, sebbene molti abbiano funzionato bene per gli aspetti della formazione di crepe. Con una sola situazione di confronto, era difficile determinare quali metodi di previsione fossero più efficaci.

Due anni dopo, la squadra di Sandia ha lanciato una seconda sfida. Questa volta 14 squadre hanno previsto il modello di frattura in un componente realizzato in una lega di titanio comune negli aeroplani, veicoli spaziali e dispositivi medici. Alle squadre è stato chiesto di prevedere la formazione di crepe da un carico molto lento come prima e sotto carico rapido, come quello sperimentato in un incidente d'auto.

Il caricamento rapido fornisce una situazione interessante perché la forza rapida crea calore nel materiale e lascia poco tempo per dissipare il calore. Nella seconda sfida, la maggior parte dei team non ha combinato la modellazione termica e meccanica, ha detto Boyce. "Ma quelli che lo facevano tendevano a ottenere i dettagli giusti."

La terza sfida, tenutosi nel 2016, ha chiesto ai ricercatori di prevedere le crepe nell'acciaio inossidabile lavorato con una stampante 3D. Una stampante 3D può rendere impossibile creare forme personalizzate con i metodi di produzione tradizionali, ma la microstruttura dei metalli stampati può essere più porosa dei metalli forgiati nelle sfide precedenti. I ricercatori si sono chiesti se la porosità interna potesse provocare la frattura dei metalli stampati prima del previsto.

Per questa sfida, 21 team hanno ricevuto dati di caratterizzazione estesi da prove di trazione e immagini microstrutturali dettagliate. Tutti i team hanno previsto il sito di inizio della frattura e il percorso risultante osservato durante i test sperimentali. La squadra con le migliori prestazioni ha partecipato alle sfide precedenti e ha imparato da quelle precedenti esperienze per migliorare il proprio approccio, ha detto Boyce.

Sfide ingegneristiche di crowdsharing

Ora, i partecipanti alla sfida continuano come una collaborazione di proprietà della comunità, riunirsi per formare il partenariato per l'affidabilità strutturale. Questo gruppo di scienziati e ingegneri delle università, l'industria e i laboratori nazionali stanno lavorando per migliorare i modelli di frattura. Ci sono 17 istituzioni nel partenariato, e i partner condividono i risultati tra loro prima che vengano pubblicati.

Mentre il gruppo può eventualmente affrontare un'ampia varietà di sfide di previsione per progettare l'affidabilità, alcuni dei suoi interessi iniziali includono la previsione delle proprietà fisiche dei metalli stampati in 3D e lo studio di come il gas idrogeno altera il metallo nell'infrastruttura dell'idrogeno. Previsioni come queste potrebbero aiutare gli ingegneri a comprendere meglio l'affidabilità delle molle sottoposte a shock o dei giunti bullonati, che sono attualmente sovraprogettati per compensare il comportamento di frattura poco compreso.

Il risultato significa non solo strutture più sicure come automobili e aeroplani, ma anche veicoli più leggeri che consumano meno carburante.

Nel futuro, gli sforzi della partnership potrebbero espandersi allo studio della plastica e della ceramica, e ingrandire il comportamento alla frattura al micro-, scala nanometrica e atomica, ha detto Boyce.

Per Boyce, le sfide della frattura hanno anche ispirato il suo progetto, finanziato dal programma di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio di Sandia. I progressi nella tecnologia dei microscopi consentono agli scienziati dei materiali di vedere i dettagli microstrutturali dei materiali meglio che mai. Boyce sta studiando sottili dettagli di vuoti microscopici nei materiali per capire meglio come inizia una frattura all'interno di un materiale prima che sia visibile.