德克萨斯A&M大学的研究人员正在采用传统的制造工具——金属切割——并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——用一把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没什么不同)——可能不是研究材料特性时首先想到的事情。然而,Drs。Dinakar Sagapuram和Hrayer Aprahamian是迈克尔·巴恩斯大学工业与系统工程系的助理教授，他们想看看这个过程是否可以预测材料在各种变形条件下的行为。他们的团队包括工业和系统工程博士生Harshit Chawla，以及海德拉巴印度理工学院助理教授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。”
由于切割过程涉及到在高速率下局部剪切或使金属变形到极端水平，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。
Sagapuram说:“这项研究为金属切割开辟了一个新的、有趣的应用，作为一种‘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。”高应变率下金属塑性的数学理论数量远远超过实验数据。因此，通过金属切削获得的属性信息可以检验哪些理论是有效的，哪些是无效的。”
该团队使用高速摄像机观察金属在遇到锋利的切割工具时是如何变形和剪切的，然后利用这些信息推断出它们的基本属性信息。然而，一个重大的挑战在于从视觉高速成像数据中获得材料的固有特性。虽然金属切割不是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数学优化技术，保证全局最优，从而实现最佳解决方案，”Aprahamian说。“否则，你可能会得到看似令人满意的解决方案，但它们并不能准确地描述材料。”
与目前使用的测试方法相比，金属切削的优点是它简单，可以产生一系列使用常规测试难以达到的条件，但从各种工程应用的角度来看是重要的。
Sagapuram说:“我们对使用切割作为一种方便的方法来确定材料特性的前景感到兴奋，这种方法现在只能通过相当大的困难才能获得。”“因为它是如此简单，原则上，任何人都可以进入机械车间获得材料数据，而无需复杂的测试能力。”
该团队最近在《英国皇家学会学报A》杂志上发表了他们的研究成果，另一篇关于数值技术的论文也在研究中。这项研究得到了美国国家科学基金会的资助。
Sagapuram表示，该团队最近开始与德克萨斯A&M大学系统国家实验室办公室支持的洛斯阿拉莫斯国家实验室合作，将他们的数据与实验室现场可用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方法，并验证在同一金属上进行的不同实验是否提供一致的数据。
Aprahamian说，他们发展数学技术的工作也有潜在的应用于材料表征之外。
“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，在那里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，并改善对人群中传染病的筛查。”
舒拉说，这项研究使他能够在一个他感兴趣多年的领域工作。
“使用创新的实验技术来研究金属切割过程的力学是很有趣的，”Chawla说。“在切割过程中密切观察材料变形，特别是在高帧率的微观水平上，这是令人着迷的。”
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