Durante casi 100 años, los científicos pensaron que entendían todo lo que había que saber sobre cómo se doblan los metales.
Estaban equivocados
Investigadores de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Wisconsin-Madison han demostrado que las reglas de doblado de metales no son tan duras y rápidas después de todo. Describieron sus hallazgos el 9 de agosto en la revista Comunicaciones de la naturaleza .
Su sorprendente descubrimiento no solo altera las nociones previas sobre cómo se deforman los metales, sino que podría ayudar a guiar la creación de materiales más fuertes y duraderos.
"Esto crea nuevas oportunidades para el diseño de materiales", dice Izabela Szlufarska, profesora de ciencia e ingeniería de materiales en UW-Madison. "Agrega otro parámetro que podemos controlar para permitir la resistencia y la ductilidad".
La ductilidad es la capacidad de un metal para doblarse. La mayoría de los enfoques para aumentar la resistencia de un metal lo hacen a expensas de la flexibilidad, y a medida que los metales se vuelven más resistentes a la flexión, es más probable que se agrieten bajo presión.
Sin embargo, el nuevo mecanismo de doblado de los investigadores podría permitir a los ingenieros fortalecer un material sin correr el riesgo de fracturas.
Es un avance que tiene un interés particular para el Ejército de los Estados Unidos, que tiene una necesidad urgente de materiales fuertes y duraderos para mantener a las tropas seguras en las zonas de combate.
"El profesor Szlufarska ha abierto un área completamente nueva para la exploración del procesamiento y diseño de materiales estructurales", dijo Michael Bakas, gerente del programa de síntesis y procesamiento en la Oficina de Investigación del Ejército en el Laboratorio de Investigación del Ejército del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de los EE. UU. "Con un descubrimiento de tan alto impacto, el profesor Szlufarska ha sentado las bases técnicas para el desarrollo de una nueva generación de materiales estructurales avanzados que eventualmente podrían emplearse en futuros equipos y vehículos del Ejército ".
Los ingenieros generalmente manipulan la resistencia de un metal a través de técnicas como el trabajo en frío o el recocido, que ejercen sus efectos a través de pequeñas, pero importantes, irregularidades estructurales llamadas dislocaciones.
"Todos en la comunidad de metales saben que las dislocaciones son críticas", dice Szlufarska.
Es un truismo que se celebra desde 1934, cuando tres investigadores se dieron cuenta de manera independiente que la dislocación explicaba una paradoja milenaria: los metales son mucho más fáciles de doblar que sus estructuras moleculares, que generalmente toman la forma de rejillas tridimensionales que se repiten regularmentepodría sugerir.
Las dislocaciones son pequeñas irregularidades en la red cristalina de un metal, que de otro modo estaría bien ordenada. Surgen de ligeros desajustes: imagina las páginas de un libro como filas de átomos e imagina cómo la pila ordenada de papel se vuelve ligeramentedistorsionado en el lugar donde alguien inserta un marcador.
Los metales normales se doblan porque las dislocaciones pueden moverse, permitiendo que un material se deforme sin romper cada enlace dentro de su red cristalina a la vez.
Las técnicas de fortalecimiento generalmente restringen el movimiento de las dislocaciones. Por lo tanto, fue un shock cuando Szlufarska y sus colegas descubrieron que el material samario cobalto, conocido como intermetálico, se doblaba fácilmente, a pesar de que sus dislocaciones estaban bloqueadas en su lugar.
"Se creía que los materiales metálicos serían intrínsecamente frágiles si el deslizamiento de la dislocación es raro", dice Hubin Luo, ex científico del personal del laboratorio de Szlufarska que ahora trabaja en el Instituto de Tecnología Industrial de Ningbo en China ". Sin embargo, nuestro reciente estudio muestra queun intermetálico puede deformarse plásticamente en una cantidad significativa incluso cuando el deslizamiento de dislocación está ausente "
En cambio, al doblar el cobalto de samario, se formaron bandas estrechas dentro de la red cristalina, donde las moléculas asumieron una configuración "amorfa" de forma libre en lugar de la estructura regular en forma de rejilla en el resto del metal.
Esas bandas amorfas permitieron que el metal se doblara.
"Es casi como la lubricación", dice Szlufarska. "Predijimos esto en simulaciones, y también vimos las bandas de corte amorfas en nuestros estudios de deformación y experimentos de microscopía electrónica de transmisión".
Una combinación de simulaciones computacionales y estudios experimentales fue fundamental para explicar el resultado desconcertante, razón por la cual Szlufarska y su grupo fueron excepcionalmente adecuados para descifrar el misterio.
"A menudo es más fácil llevar a cabo simulaciones teóricas para explicar los resultados experimentales existentes", dice Hongliang Zhang, un erudito postdoctoral de la UW-Madison. "Aquí, en primer lugar, pronosticamos teóricamente la existencia de bandas de corte y su papel en la plasticidad en el sabalium cobalt; estos fueron fenómenos completamente sorprendentes. Luego confirmamos estos resultados experimentalmente con muchos tipos diferentes de experimentos para probar nuestra teoría y asegurarnos de que el fenómeno predicho pueda observarse en la naturaleza ".
Los investigadores planean buscar otros materiales que también puedan doblarse de esta manera peculiar. Eventualmente, esperan usar el fenómeno para ajustar las propiedades de un material en cuanto a resistencia y flexibilidad.
"Esto podría cambiar la forma en que busca la optimización de las propiedades del material", dice Szlufarska. "Sabemos que es diferente, sabemos que es nuevo y creemos que podemos usarlo".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Wisconsin-Madison . Original escrito por Sam Million-Weaver. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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