Rimanere all'erta: i ricercatori si rivolgono a uno strumento quotidiano per studiare il comportamento dei materiali

Jul 29, 2023

I ricercatori della Texas A&M University stanno prendendo uno strumento di produzione tradizionale, il taglio dei metalli, e stanno sviluppando un metodo più accessibile per comprendere il comportamento dei metalli in condizioni estreme.

Il taglio dei metalli – raschiare un sottile strato di materiale dalla superficie di un metallo utilizzando un coltello affilato (non diversamente da come raschiamo il burro) – potrebbe non essere la prima cosa che ci viene in mente quando si studiano le proprietà dei materiali. Tuttavia, i dott. Dinakar Sagapuram e Hrayer Aprahamian, assistenti professori presso il Dipartimento di Ingegneria Industriale e dei Sistemi di Wm ​​Michael Barnes '64, volevano vedere se il processo potesse prevedere il comportamento del materiale in varie condizioni di deformazione. Il loro team comprendeva Harshit Chawla, uno studente di dottorato in ingegneria industriale e dei sistemi, e il dottor Shwetabh Yadav, un assistente professore presso l'Indian Institute of Technology Hyderabad.

"La conoscenza di come i materiali si deformano e cedono in condizioni meccaniche difficili è vitale per lo studio e lo sviluppo di varie applicazioni tecnologiche, inclusi processi di produzione, crash test di veicoli e test di impatto per applicazioni legate alla difesa", ha affermato Chawla.

Poiché il processo di taglio comporta il taglio locale o la deformazione del metallo a livelli estremi e a velocità elevate, il team ha ipotizzato che potrebbe fornire informazioni fondamentali sulla forza del materiale, sulla resistenza alla deformazione plastica o sul cambiamento irreversibile della forma.

"La ricerca apre una nuova e interessante applicazione per il taglio dei metalli come 'test di proprietà' che scienziati e fisici dei materiali possono utilizzare per testare le loro teorie", ha affermato Sagapuram. “Il numero di teorie matematiche sulla plasticità dei metalli sottoposti a velocità di deformazione elevate supera di gran lunga i dati sperimentali. Pertanto, le informazioni sulle proprietà ottenute utilizzando il taglio dei metalli possono verificare quali teorie sono valide e quali no”.

Il team utilizza una telecamera ad alta velocità per osservare come i metalli si deformano e si tagliano quando incontrano uno strumento da taglio affilato e quindi utilizza queste informazioni per dedurre le informazioni sulle loro proprietà di base. Una sfida significativa, tuttavia, risiede nell’ottenere proprietà intrinseche del materiale dai dati di imaging visivo ad alta velocità. Sebbene il taglio dei metalli non sia l'area di competenza di Aprahamian, la partnership con Sagapuram ha generato nuove idee e tecniche numeriche.

"Un aspetto importante di questa ricerca è stabilire tecniche di ottimizzazione matematica che garantiscano l'ottimalità globale, ottenendo così la migliore soluzione possibile", ha affermato Aprahamian. “Altrimenti si potrebbero ottenere soluzioni che sembrano soddisfacenti, ma non descrivono accuratamente il materiale.”

I vantaggi del taglio dei metalli rispetto ai metodi di prova utilizzati oggi sono che è semplice e può produrre una serie di condizioni difficili da ottenere utilizzando i test convenzionali ma che sono importanti dal punto di vista di varie applicazioni ingegneristiche.

"Siamo entusiasti della prospettiva di utilizzare il taglio come metodo conveniente per determinare le proprietà dei materiali che ora si ottengono solo con notevole difficoltà", ha affermato Sagapuram. “Poiché in linea di principio è così semplice, chiunque abbia accesso a un’officina meccanica può ora ottenere dati sui materiali senza sofisticate funzionalità di test”.

Il team ha recentemente pubblicato il proprio lavoro sulla rivista Proceedings of the Royal Society A, con un altro articolo sulle tecniche numeriche in lavorazione. Una sovvenzione della National Science Foundation sostiene la ricerca.

Sagapuram ha affermato che il team ha recentemente iniziato a collaborare con il Los Alamos National Laboratory, supportato dall'ufficio dei laboratori nazionali del sistema universitario del Texas A&M, per confrontare i propri dati con le piattaforme di test di resistenza dinamica dei materiali più consolidate disponibili in loco presso il laboratorio. Questi studi contribuiranno a validare il metodo e a verificare se diversi esperimenti sullo stesso metallo forniscono dati coerenti.

Aprahamian ha affermato che il loro lavoro per sviluppare tecniche matematiche ha potenziali applicazioni anche al di fuori della caratterizzazione dei materiali.