Оставайтесь в курсе: исследователи обращаются к повседневному инструменту, чтобы изучить, как ведут себя материалы

Jul 29, 2023

Исследователи из Техасского университета A&M берут традиционный производственный инструмент — резку металла — и разрабатывают более доступный метод для понимания поведения металлов в экстремальных условиях.

Резка металла – соскабливание тонкого слоя материала с поверхности металла с помощью острого ножа (вроде того, как мы соскабливаем масло) – возможно, не первое, что приходит на ум при изучении свойств материала. Тем не менее, д-р. Динакар Сагапурам и Храйер Апрахамян, доценты кафедры промышленной и системной инженерии им. Майкла Барнса '64, хотели посмотреть, сможет ли этот процесс предсказать поведение материала в различных условиях деформации. В их команду входили Харшит Чавла, аспирант промышленной и системной инженерии, и доктор Шветабх Ядав, доцент Индийского технологического института в Хайдарабаде.

«Знание того, как материалы деформируются и выходят из строя в суровых механических условиях, жизненно важно для изучения и разработки различных технологических приложений, включая производственные процессы, краш-тесты транспортных средств и испытания на удар для оборонных применений», — сказал Чавла.

Поскольку процесс резки включает в себя локальный сдвиг или деформацию металла до экстремальных уровней при высоких скоростях, команда предположила, что он может предоставить фундаментальную информацию о прочности материала, устойчивости к пластической деформации или необратимому изменению формы.

«Исследование открывает новое и интересное применение резки металла в качестве «проверки свойств», которую ученые-материаловеды и физики могут использовать для проверки своих теорий», — сказал Сагапурам. «Количество математических теорий пластичности металлов при высоких скоростях деформации значительно превосходит экспериментальные данные. Таким образом, информация о свойствах, полученная с помощью резки металла, может проверить, какие теории верны, а какие нет».

Команда использует высокоскоростную камеру, чтобы наблюдать, как металлы деформируются и сдвигаются, когда они сталкиваются с острым режущим инструментом, а затем используют эту информацию для вывода основной информации об их свойствах. Однако серьезная проблема заключается в получении собственных свойств материала на основе данных визуальной высокоскоростной визуализации. Хотя резка металла не является областью специализации Апрахамяна, партнерство с Сагапурамом породило новые идеи и численные методы.

«Важным аспектом этого исследования является создание методов математической оптимизации, которые гарантируют глобальную оптимальность и тем самым достигают наилучшего возможного решения», — сказал Апрахамян. «В противном случае вы можете получить решения, которые кажутся удовлетворительными, но они неточно описывают материал».

Преимущества резки металла перед методами испытаний, используемыми сегодня, заключаются в том, что она проста и может создавать ряд условий, которых трудно достичь с помощью обычных испытаний, но которые важны с точки зрения различных инженерных приложений.

«Мы воодушевлены перспективой использования резки в качестве удобного метода определения свойств материала, которые сейчас получить со значительными трудностями», — сказал Сагапурам. «Поскольку это в принципе так просто, любой, кто имеет доступ к механическому цеху, теперь может получить данные о материалах без сложных возможностей тестирования».

Недавно команда опубликовала свою работу в журнале Proceedings of the Royal Society A вместе с еще одной статьей о численных методах, находящихся в работе. Исследования поддерживаются грантом Национального научного фонда.

Сагапурам сказал, что команда недавно начала сотрудничать с Национальной лабораторией Лос-Аламоса при поддержке Национального офиса лабораторий системы Техасского университета A&M, чтобы перекрестно сравнить свои данные с более авторитетными платформами для испытаний на динамическую прочность материалов, доступными на месте в лаборатории. Эти исследования будут способствовать проверке метода и проверке того, дают ли различные эксперименты на одном и том же металле согласованные данные.

Апрахамян сказал, что их работа по разработке математических методов также имеет потенциальное применение за пределами характеристики материалов.