Uncovering fracture models for adva

Uncovering fracture models for advanced, high-strength steels
Steel is one of the most common structural materials, truly one of the foundations of modern civilization. An alloy of iron and carbon, steel has been made since biblical times. With two thousand years of experience in steelmaking, it would seem all there is to know about steel would already be known. But for Allison Beese, McFarlane Assistant Professor in Materials Science and Engineering, the secret world of steel is still unfolding.


"There is a lot known about traditional steels, but advanced, high-strength steels are a different story," says Beese. "Traditional fracture models don't accurately predict the properties of these advanced steels. We're still trying to understand the mechanisms for damage accumulation and fracture, and steel companies are very interested in developing other designs for steel."



The best steels have high strength in conjunction with ductility, the ability to be stretched. Alloying small amounts of materials such as manganese can add to a steel's strength, while phase transformations during processing or deformation can change the steel from soft to extremely hard and strong.

For most of the history of steelmaking, metalworkers found out through trial and error how to produce steel with the qualities they wanted. They had no knowledge of "microstructure;" they just knew that certain ingredients and procedures worked.


One of the most famous steels ever made, called Damascus steel, was highly valued in ancient and medieval times for its strength, flexibility, and ability to hold an extremely sharp edge—traits that made it the material of choice for the production of swords and knives. (The vaunted Valyrian steel in the novel series and TV show Game of Thrones reportedly was modeled on Damascus steel.) The source of its unique qualities was a mystery until 2006, when a German research team found that a centuries-old blade of Damascus steel contains carbon nanotubes and cementite (iron carbide) nanowires, which must have been created during the forging process—a process whose details were lost in the late 1700s and have yet to be re-discovered.

Beese studies similar relationships between fine structure and overall characteristics, with an eye toward identifying what conditions will produce the features needed for different applications.

"I am primarily an experimentalist in trying to understand the connection between microstructure and macroscopic mechanical behavior," she says. "Through the understanding of deformation mechanisms, we can then develop predictive models."

In one kind of experiment, Beese and her students stretch pieces of high-strength stainless steel and use digital image correlation to quantify the resulting deformations. They first spray-paint a speckled pattern on the sample. Then, as a test machine pulls on the sample, a camera shooting at one-second intervals captures changes in the speckle pattern. Analysis of those changes reveals where, how much, and how fast the steel deforms.

Beese's group has been testing relatively large components, or walls, of an additively manufactured nickel superalloy, a stainless steel, and a titanium alloy. By carving out small samples from the walls, her group can measure the material's mechanical properties as a function of the location and direction of the layers. They have found that ductility depends on the direction of the build, while strength varies with height within the structure.

Kết quả (Việt) 1:

Khám phá các mô hình gãy xương cho thép cao cấp, cường độ caoThép là một trong các tài liệu cấu trúc phổ biến nhất, thực sự là một trong những nền tảng của nền văn minh hiện đại. Hợp kim của sắt và cacbon, thép đã được thực hiện kể từ thời kinh thánh. Với hai nghìn năm kinh nghiệm trong sản xuất thép, nó sẽ có vẻ tất cả là để biết về thép nào đã được biết đến. Nhưng cho Allison Beese, giáo sư phụ tá McFarlane vật liệu khoa học và kỹ thuật, thế giới bí mật của thép là vẫn unfolding."Đó là rất nhiều thông tin về truyền thống thép, nhưng thép cao cấp, cường độ cao là một câu chuyện khác nhau," ông Beese. "Mô hình truyền thống gãy xương không chính xác dự đoán các tính chất của các loại thép nâng cao. Chúng tôi vẫn đang cố gắng để hiểu các cơ chế đối với thiệt hại tích lũy và gãy xương, và các công ty thép được rất quan tâm trong việc phát triển các mẫu thiết kế cho thép." Thép tốt nhất có cường độ cao kết hợp với độ dẻo, khả năng được kéo dài. Kim một lượng nhỏ vật liệu như mangan có thể thêm vào sức mạnh của một thép, trong khi giai đoạn biến đổi trong xử lý hoặc biến dạng có thể thay đổi thép từ mềm để vô cùng khó khăn và mạnh mẽ. Trong hầu hết lịch sử của sản xuất thép, tỏ phát hiện ra thông qua thử và lỗi làm thế nào để sản xuất thép với những phẩm chất mà họ muốn. Họ đã không có kiến thức về "microstructure;" họ chỉ biết rằng một số thành phần và quy trình làm việc. Một trong những nổi tiếng nhất thép bao giờ thực hiện, được gọi là Damascus thép, rất có giá trị trong thời cổ đại và Trung cổ cho sức mạnh, tính linh hoạt và khả năng để giữ một cạnh cực kỳ sắc nét của nó — những đặc điểm mà làm cho nó vật chất của sự lựa chọn cho sản xuất của thanh kiếm và dao. (Thép Valyrian vaunted trong loạt tiểu thuyết và TV Hiển thị trò chơi của Thrones báo cáo được dựa vào Damascus thép.) Nguồn gốc của các phẩm chất độc đáo là một bí ẩn cho đến năm 2006, khi một đội bóng Đức nghiên cứu tìm thấy rằng một lưỡi kỷ Damascus thép có chứa cacbon ống nano và cementite (sắt cacbua) nanowires, phải có được tạo ra trong quá trình rèn — một quá trình mà chi tiết bị mất trong cuối những năm 1700 và chưa được tái phát hiện. Beese nghiên cứu tương tự như mối quan hệ giữa cấu và đặc điểm tổng thể, với một mắt về hướng xác định những gì điều kiện sẽ sản xuất các tính năng cần thiết cho các ứng dụng khác nhau. "Tôi là chủ yếu là một experimentalist trong cố gắng để hiểu kết nối giữa microstructure và hành vi vĩ mô của cơ khí," cô nói. "Thông qua sự hiểu biết về cơ chế biến dạng, chúng tôi có thể sau đó phát triển mô hình tiên đoán." Trong một loại thử nghiệm, Beese và học sinh của cô kéo dài miếng vá cường độ cao và sử dụng tương quan kỹ thuật số hình ảnh để định lượng các biến dạng kết quả. Họ đầu tiên spray-paint một mô hình lốm đốm trên mẫu. Sau đó, như một thử nghiệm máy kéo trên mẫu, một máy ảnh chụp tại một trong những thứ hai khoảng bắt những thay đổi trong mô hình speckle. Phân tích của những thay đổi cho thấy nơi, bao nhiêu, và nhanh như thế nào thép biến. Beese của nhóm đã thử nghiệm thành phần tương đối lớn, hoặc bức tường, một additively sản xuất niken chịu, thép không gỉ, và một hợp kim titan. Bởi khắc ra mẫu nhỏ từ các bức tường, đội có thể đo tính chất cơ học của vật liệu như là một chức năng của vị trí và hướng của các lớp. Họ đã tìm thấy rằng độ dẻo phụ thuộc vào sự hướng dẫn của xây dựng, trong khi sức mạnh khác nhau với chiều cao trong cơ cấu.

Kết quả (Việt) 2:

Khám phá mô hình gãy xương cho cao, độ bền cao Thép
Thép là một trong những vật liệu cấu trúc phổ biến nhất, thật sự là một trong những nền tảng của nền văn minh hiện đại. Một hợp kim của sắt và cacbon, thép đã được thực hiện kể từ thời Kinh Thánh. Với hai ngàn năm kinh nghiệm trong sản xuất thép, nó sẽ có vẻ tất cả những gì cần biết về thép đã được sẽ được biết đến. Nhưng đối với Allison Beese, McFarlane Phó giáo sư Khoa học Vật liệu và Kỹ thuật, thế giới bí mật của thép vẫn đang diễn ra. "Có rất nhiều biết về thép truyền thống, nhưng tiên tiến, thép cường độ cao là một câu chuyện khác nhau," Beese nói. "Mô hình gãy truyền thống không dự đoán chính xác tính chất của các loại thép cao cấp. Chúng tôi vẫn đang cố gắng để hiểu được cơ chế tích lũy thiệt hại và bị gãy xương, và các công ty thép đang rất quan tâm trong việc phát triển các thiết kế khác cho thép." Các loại thép tốt nhất có độ cao sức mạnh kết hợp với độ dẻo, khả năng được kéo dài. Hợp kim một lượng nhỏ các nguyên liệu như mangan có thể thêm vào sức mạnh của một thép, trong khi biến đổi giai đoạn trong quá trình chế biến hoặc biến dạng có thể thay đổi bằng thép từ mềm đến rất cứng và bền. Đối với hầu hết lịch sử của sản xuất thép, cơ khí phát hiện ra qua thử và sai như thế nào để sản xuất thép với những phẩm chất mà họ muốn. Họ không có kiến thức về "vi;" họ chỉ biết rằng một số thành phần và quy trình làm việc. Một trong những thép nổi tiếng nhất từng được thực hiện, gọi là thép Damascus, đã được đánh giá cao trong thời cổ đại và trung cổ cho sức mạnh, sự linh hoạt của nó, và có khả năng giữ một cực kỳ sắc nét cạnh điểm khiến cho nó vật liệu được lựa chọn cho việc sản xuất các thanh kiếm và dao. (The thép Valyrian được ca tụng trong series và chương trình truyền hình tiểu thuyết Game of Thrones báo cáo được mô hình hóa trên thép Damascus.) Các mã nguồn của các phẩm chất độc đáo của nó là một bí ẩn cho đến năm 2006, khi một nhóm nghiên cứu của Đức phát hiện ra rằng một lưỡi thế kỷ của thép Damascus chứa các ống nano carbon và cementite (sắt cacbua) dây nano, mà phải được tạo ra trong quá trình rèn quá trình-một quá trình mà các chi tiết đã bị mất trong cuối những năm 1700 và đến nay vẫn chưa được tái phát hiện. Các nghiên cứu Beese mối quan hệ tương tự giữa cấu trúc tinh tế và đặc tính tổng thể , với mục tiêu xác định những điều kiện sẽ tạo ra các tính năng cần thiết cho các ứng dụng khác nhau. "Tôi chủ yếu là một nhà thực nghiệm trong việc tìm hiểu mối liên hệ giữa vi cấu trúc và hành vi cơ vĩ mô," cô nói. "Thông qua sự hiểu biết về cơ chế biến dạng, sau đó chúng tôi có thể phát triển các mô hình dự báo." Trong một kiểu thí nghiệm, Beese và học sinh của mình căng miếng cao sức mạnh thép không gỉ và sử dụng hình ảnh kỹ thuật số tương quan để xác định số lượng các biến dạng kết quả. Họ đầu phun tạo một hoa văn lốm đốm trên mẫu. Sau đó, như một máy tính thử nghiệm kéo trên mẫu, một máy ảnh chụp trong khoảng thời gian một giây ghi lại những thay đổi trong mô hình đốm. Phân tích những thay đổi đó cho thấy ở đâu, bao nhiêu, và nhanh chóng như thế nào thép biến dạng. Nhóm Beese đã được thử nghiệm thành phần tương đối lớn, hoặc các bức tường, một superalloy additively sản xuất niken, thép không gỉ và hợp kim titan. By khắc ra mẫu nhỏ từ các bức tường, nhóm của cô có thể đo được tính chất cơ học của vật liệu như là một hàm của vị trí và hướng của các lớp. Họ đã phát hiện ra rằng độ dẻo phụ thuộc vào hướng của xây dựng, trong khi sức mạnh thay đổi theo chiều cao bên trong cấu trúc.