p Desde que as pessoas começaram a forjar e trabalhar com metal, eles provavelmente estiveram interessados ​​em como ele quebra. Mas somente a partir da década de 1950 os cientistas e engenheiros tiveram uma estrutura matemática para usar medições de laboratório de falha de material para prever a resistência de uma estrutura à rachadura. p "Essas ferramentas funcionam bem para materiais frágeis, como vidro, mas muitas vezes não para outros materiais, "disse Brad Boyce, um cientista de materiais no Sandia National Laboratories.

p Os pesquisadores que conhecem as teorias existentes ainda lutam para prever fraturas em materiais com microestruturas complexas ou componentes feitos com impressão 3-D. Eles também não funcionam bem para metais dúcteis, como alguns aços, que se deformam e esticam antes de fraturar.

p Ao redor do mundo, cientistas e engenheiros de materiais estão tentando maneiras diferentes de prever fraturas em metais dúcteis, mas não está claro qual abordagem é mais precisa. Para comparar os diferentes métodos, Os pesquisadores Sandia apresentaram três desafios voluntários aos seus colegas:Dadas as mesmas informações básicas sobre a forma, composição e carregamento de uma peça de metal, eles poderiam prever como ela acabaria se quebrando?

p Uma visão geral do terceiro Desafio de Fratura Sandia foi publicada recentemente em uma edição especial do International Journal of Fracture dedicada aos resultados do desafio. Agora, a competição amigável mudou para uma comunidade colaborativa de pesquisadores refinando suas técnicas para criar estruturas confiáveis ​​feitas de uma variedade de materiais.

p Aprendendo com a ampla comunidade

p Tipicamente, previsões como essas envolvem rodadas repetidas de medições e cálculos experimentais, de modo que a modelagem seja essencialmente calibrada para dados de fratura conhecidos. Para esses desafios, Contudo, os participantes não sabiam do resultado real até o final da competição.

p O primeiro desafio, realizada no verão de 2012, atraiu 13 equipes de pesquisadores de universidades, laboratórios nacionais e empresas para prever o início e a disseminação de trincas em uma liga de aço inoxidável comum. Todos eles receberam o mesmo desenho de engenharia da peça de teste, imagens microscópicas da microestrutura do material, dados sobre a resistência à fratura do material e medições de quanta tensão ele acumulou quando tensionado. Então, cada equipe aplicou seu próprio método para prever o caminho de uma rachadura sob uma determinada quantidade de força.

p Enquanto isso, grupos de pesquisadores da Sandia e da Universidade do Texas em Austin, que não estavam participando da competição de previsão, fraturou o material em seus laboratórios. Eles carregaram peças de teste em máquinas e as puxaram até que se rasgaram ao meio. Câmeras registraram os caminhos de crack, enquanto os instrumentos mediram a quantidade de força nas amostras.

p Nenhuma das 13 previsões correspondeu completamente a todos os resultados experimentais, embora muitos funcionem bem para aspectos da formação de fissuras. Com apenas uma situação para comparação, era difícil determinar quais métodos de previsão eram mais eficazes.

p Dois anos depois, a equipe Sandia lançou um segundo desafio. Desta vez, 14 equipes previram o padrão de fratura em um componente feito de uma liga de titânio comum em aviões, espaçonaves e dispositivos médicos. As equipes foram solicitadas a prever a formação de rachaduras de carregamento muito lento como antes e sob carregamento rápido, como o que aconteceu em um acidente de carro.

p O carregamento rápido fornece uma situação interessante porque a força rápida cria calor no material e deixa pouco tempo para o calor se dissipar. No segundo desafio, a maioria das equipes não combinava modelagem térmica e mecânica, Boyce disse. "Mas aqueles que o fizeram tendiam a acertar os detalhes."

p O terceiro desafio, realizada em 2016, pediu aos pesquisadores que previssem rachaduras em aço inoxidável usinado com uma impressora 3-D. Uma impressora 3-D pode impossibilitar a criação de formas personalizadas por meio de métodos de fabricação tradicionais, mas a microestrutura dos metais impressos pode ser mais porosa do que os metais forjados em desafios anteriores. Os pesquisadores se perguntaram se a porosidade interna poderia fazer os metais impressos fraturarem mais cedo do que o esperado.

p Para este desafio, 21 equipes receberam extensos dados de caracterização de testes de tração e imagens microestruturais detalhadas. Todas as equipes previram o local de início da fissura e o caminho resultante observado durante os testes experimentais. A equipe com melhor desempenho participou dos desafios anteriores e aprendeu com as experiências anteriores para melhorar sua abordagem, Boyce disse.

p Desafios de engenharia de crowdsharing

p Agora, os participantes do desafio continuam como uma colaboração de propriedade da comunidade, se reunindo para formar a Parceria de Confiabilidade Estrutural. Este grupo de cientistas e engenheiros nas universidades, a indústria e os laboratórios nacionais estão trabalhando para melhorar os modelos de fratura. São 17 instituições parceiras, e os parceiros compartilham os resultados entre si antes de serem publicados.

p Embora o grupo possa eventualmente enfrentar uma ampla variedade de desafios de previsão para projetar a confiabilidade, alguns de seus interesses iniciais incluem a previsão de propriedades físicas de metais impressos em 3-D e o estudo de como o gás hidrogênio altera o metal na infraestrutura de hidrogênio. Previsões como essas podem ajudar os engenheiros a entender melhor a confiabilidade de molas com carga de choque ou juntas aparafusadas, que são atualmente superdimensionados para compensar o comportamento de fratura mal compreendido.

p O resultado significa não apenas estruturas mais seguras, como carros e aviões, mas também veículos mais leves que são mais eficientes em termos de combustível.

p No futuro, os esforços da parceria podem se expandir para estudar plásticos e cerâmicas, e amplie o comportamento de fratura no micro-, escalas nano e atomísticas, Boyce disse.

p Para Boyce, os desafios da fratura também inspiraram seu próprio projeto, financiado pelo programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório de Sandia. Os avanços na tecnologia do microscópio significam que os cientistas de materiais podem ver detalhes microestruturais dos materiais melhor do que nunca. Boyce está estudando detalhes sutis de vazios microscópicos em materiais para entender melhor como uma fratura começa dentro de um material antes que seja visível.