[据本站2013年12月4日综合报道]美国空军与美国能源部阿贡国家实验室、大学和工业界合作，通过创建一个新的工程设计模式来提高飞机的安全性和燃油效率，确保其保持在全球安全领域的最前沿。来自于空军研究实验室（AFRL）、阿贡国家实验室的先进光子源部门、能源部劳伦斯•利弗莫尔国家实验室、卡内基•梅隆大学和脉冲强光公司（PulseRay）等机构的科学家和工程人员共同组成了该项目的研究团队。
研究团队尝试在晶粒尺度上模拟缺陷和研究材料，以推进飞机等武器系统的设计。传统的零件设计主要考虑结构物理性能的均匀性，而新的设计过程将进一步考虑材料的微观结构。通过设计过程的优化，飞机零件的寿命已经得到了显著提高。
为了满足对微观数据的需求，研究团队开发出了一种全新的方法，以三维方式实时无损描述材料的微观结构和晶粒尺度的应力状态。这是第一次，该团队在机械测试过程中集成了三个高能量同步加速器X射线技术，分别是采用远场高能量衍射显微镜（HEDM）量化每个晶粒的平均弹性应变和应力张量、采用近场HEDM描述各晶粒内部以及各晶粒之间的晶粒形态和局部晶体学取向、采用微断层扫描技术追踪空洞和裂纹的形成和扩展。
这些独特的数据集有助于深刻理解变形，同时形成建模工具的开发和验证的重要基础。目前，该方法已被用于镍合金和钛合金。由于像使用在飞机上的金属材料的性能具有方向性，通过改变材料的加工条件可以获得满足要求的显微组织，为预期的应力温度环境提供优化的性能。特定位置的设计已经开始应用于航空业和空军机群，但因为需要大量的测试程序目前仅限于一小数量的零件。这个方法可以很好地用于增量变化，但限制了像那些用于发动机涡轮盘的革命性的新材料的开发，因为它在数十年的跨度中需要数百万美元。这些新的微观结构建模工具可以预测材料的行为，包括可变性和不确定性。随着建模工具的开发和验证，工程设计可以通过挖掘材料的性能、安全性和燃油效率的真正潜能而彻底改变。研究人员指出，受这些进步影响的材料的规模经济预计将达到数十亿美元。
先进光子源（APS，一个大型辐射同步加速器）为团队提供了可以使用全国唯一的X射线光束线，旨在以原子分辨率在消失界面的原位结构研究中保持零件完整性。该HEXD（高能X射线）光束线在APS的高能X射线和高亮度的渗透力下发挥作用，这种渗透力使得科学家能够研究小区域。这种组合是完美的，用于测量应变，研究如热机械变形等极端操作条件下的应力。通过使用这些独特的工具，以查明在设计和加工中材料的缺陷，科学家们可以获得所需要的知识以创造新的高性能材料。
该研究项目资金是由美国国防部和大学拨款委员会提供的。APS的使用是由能源部资助提供的。 （北方科技信息研究所 朱洪武）
新闻来源：http://www.dsti.net/Information/News/85868
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