Un nuevo estudio en la revista Naturaleza muestra cómo los metales pueden ser modelados en la 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 nanotwins, pequeños límites lineales en la red atómica de un metal que tienen estructuras cristalinas idénticas a cada lado. El estudio mostró que las nantowins ayudan a estabilizar los defectos asociados con la tensión repetitiva que surgen a nivel atómico y limitan elacumulación de daños relacionados con la fatiga.
"El noventa por ciento de las fallas en los componentes metálicos y las estructuras de ingeniería se deben a la fatiga", dijo Huajian Gao, profesor de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Brown y autor correspondiente de la nueva investigación. "Este trabajo representa un camino potencial hacia una mayor resistencia a la fatigametales, lo que sería útil en casi todos los entornos de ingeniería ".
Gao fue coautor del estudio con Haofei Zhou, investigador postdoctoral en Brown, junto con Quingson Pan, Qiuhong Lu y Lei Lu de la Academia de Ciencias de China.
Para estudiar los efectos de la fatiga de los nanotwins, los investigadores electrochaparon muestras de cobre a granel con estructuras gemelas muy separadas dentro de los granos cristalinos de las placas. Luego realizaron una serie de experimentos en los que estiraron y comprimieron las placas repetidamente a diferentes amplitudes de tensióny midió la respuesta al estrés asociada al material utilizando un sistema de prueba de fatiga. Comenzando con una amplitud de deformación de .02 por ciento, los investigadores aumentaron progresivamente la amplitud cada 1,500 ciclos a .04, luego .06, finalmente alcanzando un máximo de .09 antes de volver a bajarlas amplitudes de deformación
Las pruebas mostraron que la respuesta al estrés del cobre nanotwinned se estabilizó rápidamente en cada amplitud de deformación. Más importante, dijo Gao, el estudio encontró que la respuesta al estrés en cada amplitud de deformación fue la misma durante la segunda mitad del experimento, cuando elel metal se recicló a través de cada amplitud de deformación por segunda vez, lo que significa que el material no se endureció ni suavizó bajo la deformación como se esperaría que hiciera la mayoría de los metales.
"A pesar de haber pasado por miles de ciclos de deformación, el material mostró la misma respuesta al estrés", dijo Gao. "Eso nos dice que la reacción a la deformación cíclica es independiente de la historia: el daño no se acumula de la forma en quelo hace en materiales comunes "
A modo de comparación, los investigadores realizaron experimentos similares en muestras no nanotanadas, que mostraron un endurecimiento y ablandamiento significativos dependiendo del material y mostraron el tipo de efectos acumulativos de fatiga que son comunes en la mayoría de los metales.
Para comprender el mecanismo detrás de esta resistencia a la fatiga, los investigadores realizaron simulaciones de supercomputadora de la estructura atómica del metal. A nivel atómico, la deformación del material se manifiesta a través del movimiento de las dislocaciones, defectos de línea en la estructura cristalina donde los átomos son expulsadosLas simulaciones mostraron que las estructuras de nanotwin organizan dislocaciones relacionadas con la tensión en bandas lineales llamadas dislocaciones de collar correlacionadas llamadas así por su apariencia de collar con cuentas en la simulación. Dentro de cada grano de cristal, las dislocaciones permanecen paralelas entre sí y not bloquean el movimiento del otro, por lo que los efectos de las dislocaciones son reversibles, dice Gao.
"En un material normal, el daño por fatiga se acumula porque las dislocaciones se enredan entre sí y no se pueden deshacer", dijo. "En el metal gemelar, las dislocaciones del collar correlacionadas son altamente organizadas y estables. Entonces, cuando la tensiónes relajado, las dislocaciones simplemente se retiran y no hay daño acumulado en la estructura de nanotwin ".
Sin embargo, los metales no son completamente inmunes a la fatiga. La resistencia a la fatiga demostrada en el estudio está dentro de cada grano cristalino. Todavía hay daños que se acumulan en los límites entre los granos. Pero la resistencia a la fatiga dentro del grano "ralentiza elproceso de degradación, por lo que la estructura tiene una vida de fatiga mucho más larga ", dijo Gao.
El grupo de investigación de Gao ha trabajado extensamente en metales nanotwinned, mostrando previamente que las estructuras nanotwin pueden mejorar la resistencia de un metal, la capacidad de resistir la deformación, como la flexión, y la ductilidad, la capacidad de estirarse sin romperse. Este nuevo hallazgo sugiere otroventaja para los metales maclados. Él y sus colegas esperan que esta última investigación aliente a los fabricantes a encontrar nuevas formas de crear nanotwins en metales. El método de galvanoplastia utilizado para fabricar el cobre para este estudio no es práctico para fabricar componentes grandes.Algunas formas de metal hermanado disponibles ahora la plasticidad inducida por el hermanamiento o el acero "TWIP" es un ejemplo, los científicos todavía están buscando formas baratas y eficientes de fabricar metales y aleaciones con estructuras gemelas.
"Todavía es más un arte que una ciencia, y aún no lo hemos dominado", dijo Lu, uno de los autores correspondientes de la Academia de Ciencias de China. "Esperamos que si señalamos los beneficios que pueda obtenerdel hermanamiento, podría estimular a los expertos en fabricación a encontrar nuevas aleaciones que se unan fácilmente "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Brown . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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