Minúsculas estructuras cristalinas llamadas nanotwins pueden estabilizar los efectos de la fatiga en los metales.

Publicado a las 05:40 AM CST en Oct 31,2017 | Actualizado a las 05:40 AM CST en Oct 31,2017

La fatiga debida a la tensión repetitiva es la causa principal de los fallos en los componentes y estructuras metálicas, pero las nuevas investigaciones muestran cómo las estructuras cristalinas llamadas nanotwins pueden retrasar la acumulación de los daños relacionados con la fatiga.

Un nuevo estudio en la revista Nature muestra cómo los metales pueden ser modelados a nanoescala para ser más resistentes a la fatiga, la lenta acumulación de daño interno por esfuerzo repetitivo.

La investigación se centró en el metal fabricado con nanotubos, minúsculos límites lineales en la red atómica de un metal que tienen idénticas estructuras cristalinas en ambos lados. El estudio mostró que los nanotwins ayudan a estabilizar los defectos asociados con la tensión repetitiva que surgen a nivel atómico y limitan la acumulación de daños relacionados con la fatiga.

«El noventa por ciento de las fallas en componentes metálicos y estructuras de ingeniería se debe a la fatiga», dijo Huajian Gao, profesor de la Facultad de ingeniería de la Universidad Brown y autor correspondiente de la nueva investigación. «Este trabajo representa un camino potencial hacia metales más resistentes a la fatiga, que sería útil en casi todos los entornos del mundo industrial».

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Para estudiar los efectos de fatiga de los nanotubos, los investigadores electrodepositaron muestras a granel de cobre con estructuras gemelas muy espaciadas dentro de los granos cristalinos de las placas. Luego realizaron una serie de experimentos en los que extendieron y comprimieron las placas repetidamente con diferentes amplitudes de tensión y midieron la respuesta de tensión asociada al material utilizando un sistema de pruebas de fatiga.

Comenzando con una amplitud de la cepa de 0,02 por ciento, los investigadores incrementaron progresivamente la amplitud cada 1.500 ciclos a 0,04, luego a 0,06, alcanzando finalmente un pico de 0,09 antes de volver a bajar a través de las amplitudes de la cepa.

Las pruebas mostraron que la respuesta de tensión del cobre nanotwinned se estabilizó rápidamente en cada amplitud de la cepa. Lo que es más importante, señaló Gao, el estudio halló que la respuesta al estrés en cada amplitud de la cepa fue la misma durante la segunda mitad del experimento, cuando el metal pasó por cada amplitud de la cepa por segunda vez. Esto significa que el material no se endureció o ablandó bajo la tensión, como se esperaría que hicieran la mayoría de los metales.

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«A pesar de haber pasado ya por miles de ciclos de tensión, el material mostró la misma respuesta al estrés», dijo Gao. «Eso nos dice que la reacción a la cepa cíclica es histórica -independiente- el daño no se acumula como ocurre en los materiales comunes».

 

Para la comparación, los investigadores realizaron experimentos similares en muestras no ganadoras, que mostraron un endurecimiento y ablandamiento significativo (dependiendo del material) y mostraron el tipo de efectos acumulativos de fatiga que son comunes en la mayoría de los metales.

Para entender el mecanismo detrás de esta resistencia a la fatiga, los investigadores realizaron simulaciones por supercomputadora de la estructura atómica del metal. A nivel atómico, la deformación material se manifiesta a través del movimiento de los defectos de la línea de dislocación en la estructura cristalina donde los átomos son empujados fuera de su lugar.

Las simulaciones mostraron que las estructuras nanotwin organizan dislocaciones relacionadas con la tensión en bandas lineales llamadas dislocaciones correlacionadas de collar (denominadas por su apariencia similar a cuellos de cuentas en la simulación). Dentro de cada grano de cristal, las dislocaciones permanecen paralelas entre sí y no bloquean el movimiento de cada una, razón por la cual los efectos de las dislocaciones son reversibles, dice Gao.

Las simulaciones a escala atómica muestran cómo los nanotubos alinean los defectos relacionados con las deformaciones, profundizándolos para que no se impidan entre sí y haciéndolos reversibles.

«En un material normal, el daño por fatiga se acumula porque las dislocaciones se enredan unas con otras y no pueden deshacerse», dijo. «En el metal hermanado, las dislocaciones correlacionadas del collar son altamente organizadas y estables. Así que cuando la tensión se relaja, las dislocaciones simplemente se retiran y no hay daños acumulados en la estructura nanotwin».

 

Sin embargo, los metales no son totalmente inmunes a la fatiga. La resistencia a la fatiga demostrada en el estudio se encuentra dentro de cada grano cristalino. Todavía hay daños que se acumulan en los límites entre granos. Pero la resistencia al cansancio dentro del grano «retrasa el proceso de degradación, por lo que la estructura tiene una vida útil de fatiga mucho más larga», dijo Gao.

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El grupo de investigación de Gao ha trabajado extensamente en metales nanotwinned, demostrando previamente que las estructuras nanotwin pueden mejorar la resistencia del metal -la capacidad de resistir deformaciones como la flexión- y la ductilidad, la capacidad de estirarse sin romperse. Este nuevo hallazgo sugiere otra ventaja más para los metales gemelos.

Él y sus colegas esperan que esta última investigación anime a los fabricantes a encontrar nuevas formas de crear nanotubos en metales. El método de galvanoplastia utilizado para fabricar el cobre para este estudio no es práctico para fabricar componentes grandes. Y mientras que ahora hay algunas formas de hermanamiento de metal disponibles (ejemplo de plasticidad inducida por hermanamiento o acero «TWIP»), los científicos todavía están buscando formas baratas y eficientes de hacer metales y aleaciones con estructuras gemelas.

«Es todavía más un arte que una ciencia, y aún no lo hemos dominado», dijo Lu, uno de los autores correspondientes de la Academia China de Ciencias. «Esperamos que si señalamos

Referencias & Fuentes

phys.org | Researchers show how nanoscale patterning can decrease metal fatigue

news.brown.edu | Researchers show how nanoscale patterning can decrease metal fatigue