研究人员利用日常工具来研究材料的行为

德克萨斯农工大学的研究人员正在采用传统的制造工具——金属切削——开发一种更容易理解的方法来了解金属在极端条件下的行为。

金属切割——使用锋利的刀从金属表面刮下一层薄薄的材料(与我们刮黄油的方式不同)——可能不是研究材料特性时首先想到的。然而，博士。Dinakar Sagapuram 和 Hrayer Aprahamian 是 Wm Michael Barnes '64 工业与系统工程系的助理教授，他们想看看该过程是否可以预测各种变形条件下的材料行为。他们的团队包括工业和系统工程博士生 Harshit Chawla 和印度理工学院海得拉巴分校助理教授 Shwetabh Yadav 博士。

Chawla 说：“了解材料在恶劣机械条件下如何变形和失效对于研究和开发各种技术应用至关重要，包括制造工艺、车辆碰撞测试和国防相关应用的冲击测试。”

由于切割过程涉及在高速率下局部剪切或使金属变形到极限水平，因此研究小组假设它可以提供有关材料强度、抗塑性变形或不可逆形状变化的基本信息。

“这项研究为金属切削开辟了一种新的、有趣的应用，作为‘性能测试’，材料科学家和物理学家可以用它来测试他们的理论，”萨加普拉姆说。“高应变率下金属塑性的数学理论数量远远超过了实验数据。因此，通过金属切削获得的性能信息可以测试哪些理论有效，哪些理论无效。”

该团队使用高速摄像机观察金属在遇到锋利的切削工具时如何变形和剪​​切，然后利用这些信息推断出其基本属性信息。然而，一个重大挑战在于从视觉高速成像数据中获取内在材料特性。虽然金属切削不是 Aprahamian 的专业领域，但与 Sagapuram 的合作产生了新的想法和数值技术。

“这项研究的一个重要方面是建立保证全局最优性的数学优化技术，从而实现最佳解决方案，”Aprahamian 说。“否则，您可能会获得看似令人满意的解决方案，但它们并不能准确描述材料。”

与当今使用的测试方法相比，金属切削的优点在于它简单，并且可以产生一系列使用传统测试难以实现但从各种工程应用的角度来看很重要的条件。

“我们对使用切割作为确定材料特性的便捷方法的前景感到兴奋，而现在要获得这些特性需要相当大的困难，”Sagapuram 说。“因为它非常简单，原则上，任何能够进入机械车间的人现在都可以获取材料数据，而无需复杂的测试能力。”

该团队最近在 《皇家学会学报 A》 杂志上发表了他们的研究成果，其中还有另一篇关于数值技术的论文。国家科学基金会的拨款支持这项研究。

萨加普拉姆表示，该团队最近开始与洛斯阿拉莫斯国家实验室合作，在德克萨斯农工大学系统国家实验室办公室的支持下，将他们的数据与实验室现场提供的更成熟的材料动态强度测试平台进行交叉比较。这些研究将有助于验证该方法并验证对同一金属的不同实验是否提供一致的数据。

Aprahamian 表示，他们开发数学技术的工作在材料表征之外也有潜在的应用。

“我的团队正在将其中一些算法和技术扩展到医疗保健领域，我们正在使用全局优化工具来构建强大的筛查策略，”Aprahamian 说。“这可以用来预防未来的疫情爆发并改善人群中传染病的筛查。”

查拉说，这项研究使他能够在自己感兴趣的领域工作多年。

“使用创新的实验技术研究金属切削过程的力学是很有趣的，”查拉说。“密切观察切割过程中的材料变形，尤其是在高帧速率下的微观水平，是令人着迷的。”