Forscher nutzen ein alltägliches Werkstattgerät, um das Verhalten von Materialien zu untersuchen

Forscher der Texas A&M University nutzen ein traditionelles Fertigungswerkzeug – das Metallschneiden – und entwickeln eine besser zugängliche Methode, um das Verhalten von Metallen unter extremen Bedingungen zu verstehen.

Metallschneiden – das Abkratzen einer dünnen Materialschicht von der Metalloberfläche mit einem scharfen Messer (ähnlich wie beim Abkratzen von Butter) – ist vielleicht nicht das Erste, was einem bei der Untersuchung von Materialeigenschaften in den Sinn kommt. Allerdings Dr. Dinakar Sagapuram und Hrayer Aprahamian, Assistenzprofessoren am Wm Michael Barnes ’64 Department of Industrial and Systems Engineering, wollten herausfinden, ob der Prozess das Materialverhalten unter verschiedenen Verformungsbedingungen vorhersagen kann. Zu ihrem Team gehörten Harshit Chawla, ein Doktorand der Industrie- und Systemtechnik, und Dr. Shwetabh Yadav, ein Assistenzprofessor am Indian Institute of Technology Hyderabad.

„Das Wissen darüber, wie sich Materialien unter rauen mechanischen Bedingungen verformen und versagen, ist für die Untersuchung und Entwicklung verschiedener technologischer Anwendungen, einschließlich Herstellungsprozessen, Crashtests von Fahrzeugen und Aufpralltests für verteidigungsbezogene Anwendungen, von entscheidender Bedeutung“, sagte Chawla.

Da beim Schneidvorgang das Metall bei hohen Geschwindigkeiten lokal geschert oder extrem stark verformt wird, stellte das Team die Hypothese auf, dass dadurch grundlegende Informationen über die Festigkeit des Materials, den Widerstand gegen plastische Verformung oder irreversible Formänderung gewonnen werden könnten.

„Die Forschung eröffnet eine neue und interessante Anwendung für das Metallschneiden als ‚Eigenschaftstest‘, den Materialwissenschaftler und Physiker zur Überprüfung ihrer Theorien nutzen können“, sagte Sagapuram. „Die Zahl der mathematischen Theorien zur Metallplastizität unter hohen Dehnungsgeschwindigkeiten übersteigt die experimentellen Daten bei weitem. Daher können die durch Metallschneiden gewonnenen Eigenschaftsinformationen testen, welche Theorien gültig sind und welche nicht.“

Mit einer Hochgeschwindigkeitskamera beobachtet das Team, wie sich Metalle verformen und scheren, wenn sie auf ein scharfes Schneidwerkzeug treffen, und leitet diese Informationen dann ab, um ihre grundlegenden Eigenschaftsinformationen abzuleiten. Eine große Herausforderung besteht jedoch darin, aus den visuellen Hochgeschwindigkeitsbilddaten intrinsische Materialeigenschaften zu ermitteln. Auch wenn die Metallzerspanung nicht das Fachgebiet von Aprahamian ist, hat die Partnerschaft mit Sagapuram neue Ideen und numerische Techniken hervorgebracht.

„Ein wichtiger Aspekt dieser Forschung besteht darin, mathematische Optimierungstechniken zu etablieren, die globale Optimalität garantieren und so die bestmögliche Lösung erreichen“, sagte Aprahamian. „Andernfalls erhalten Sie vielleicht Lösungen, die zufriedenstellend erscheinen, aber den Stoff nicht genau beschreiben.“

Die Vorteile der Metallzerspanung gegenüber den heute verwendeten Prüfmethoden bestehen darin, dass sie einfach ist und eine Reihe von Bedingungen erzeugen kann, die mit herkömmlichen Prüfungen nur schwer zu erreichen sind, aber aus der Sicht verschiedener technischer Anwendungen wichtig sind.

„Wir freuen uns über die Aussicht, das Schneiden als praktische Methode zur Bestimmung von Materialeigenschaften einzusetzen, die derzeit nur mit erheblichen Schwierigkeiten erreicht werden können“, sagte Sagapuram. „Weil es im Prinzip so einfach ist, kann jetzt jeder, der Zugang zu einer Maschinenwerkstatt hat, Materialdaten erhalten, ohne aufwendige Testmöglichkeiten zu benötigen.“

Das Team hat seine Arbeit kürzlich im veröffentlicht Tagungsband der Royal Society A Zeitschrift, mit einem weiteren Artikel über die numerischen Techniken in Arbeit. Ein Zuschuss der National Science Foundation unterstützt die Forschung.

Sagapuram sagte, das Team habe vor kurzem mit Unterstützung des Texas A&M University System National Laboratories Office eine Zusammenarbeit mit dem Los Alamos National Laboratory begonnen, um ihre Daten mit den etablierteren Testplattformen für die dynamische Materialfestigkeit zu vergleichen, die vor Ort im Labor verfügbar sind. Diese Studien werden zur Validierung der Methode und zur Überprüfung beitragen, ob verschiedene Experimente mit demselben Metall konsistente Daten liefern.

Aprahamian sagte, ihre Arbeit zur Entwicklung mathematischer Techniken habe auch potenzielle Anwendungen außerhalb der Materialcharakterisierung.

„Meine Gruppe weitet einige dieser Algorithmen und Techniken auf den Gesundheitsbereich aus, wo wir globale Optimierungstools verwenden, um robuste Screening-Strategien zu entwickeln“, sagte Aprahamian. „Damit können künftige Ausbrüche verhindert und das Screening auf Infektionskrankheiten in der Bevölkerung verbessert werden.“

Chawla sagte, die Forschung habe es ihm ermöglicht, in einem Bereich zu arbeiten, der ihn schon seit Jahren interessiert.

„Es war interessant, die Mechanik des Metallschneideprozesses mithilfe innovativer experimenteller Techniken zu untersuchen“, sagte Chawla. „Es war faszinierend, die Materialverformung beim Schneiden genau beobachten zu können, insbesondere auf mikroskopischer Ebene bei hohen Bildraten.“