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    Observación de fracturas en materiales estresados

    Figura 1. El diagrama esquemático de la configuración experimental y la imagen del patrón de difracción de rayos X. El objetivo de lámina de metal delgado es impulsado por una onda de choque generada por un láser de potencia enfocada (lado inferior en la Fig. 1). Irradiar XFEL a la muestra detrás es observar los fenómenos de fractura de ultra alta velocidad. La secuencia de imágenes de las instantáneas de difracción de rayos X con una exposición de femto-segundo se obtiene mediante experimentos repetidos que cambian el intervalo de tiempo entre el láser de potencia y XFEL. Crédito:Universidad de Osaka

    Alguna vez te has preguntado, mientras navega a 36, 000 pies sobre el Atlántico, ¿Qué pasaría si una pieza de satélite, asteroide, u otros escombros chocaron con su aeronave?

    La fractura dinámica es la fragmentación de un material debido a la tensión, como durante el impacto. Esto es importante para el blindaje contra escombros de los materiales utilizados en aeronaves, astronave, satélites reactores nucleares y armaduras, así como en ingeniería y manufactura en general.

    Hasta ahora, la fractura dinámica de materiales solo se ha observado utilizando técnicas a gran escala, como la medición de la velocidad de los fragmentos o el examen forense de muestras. La fractura dinámica a escala atómica solo podría estudiarse mediante simulaciones por computadora, ya que el rango de tamaño que se podía observar en los materiales mediante técnicas experimentales era demasiado estrecho. Sin embargo, esto ha cambiado gracias a una nueva técnica informada por un equipo dirigido por la Universidad de Osaka para observar directamente la fractura dinámica en metales.

    Los investigadores han utilizado una bomba láser y una sonda de rayos X para detectar movimiento, como estiramiento y compresión, en la estructura atómica del tantalio bajo estrés elevado. Específicamente, un láser produce una descarga en un trozo delgado de tantalio, un metal utilizado en aleaciones para aumentar su fuerza y ​​resistencia a la corrosión. Luego, la sonda de rayos X mide la separación de los átomos en el lado opuesto del tantalio. Esta técnica es extremadamente sensible a los átomos cercanos a la superficie, cuáles son los más estrechamente asociados con los daños superficiales.

    Figura 2. arriba:Sección transversal de la espalación típica de un material. Se aprecian claramente grandes daños en la parte inferior de la superficie trasera. Abajo:Distribución de desechos espaciales en órbita terrestre. Existen escombros con una velocidad superior a 10 km / seg y pueden causar daños graves (en las estaciones espaciales y satélites). Crédito:ESA y NASA

    "La evolución de la deformación reticular asociada con la fractura ultrarrápida del tantalio viene dada por una serie temporal de patrones de difracción de rayos X, "explica el Dr. Bruno Albertazzi." Esta deformación nos muestra la parte impactada del tantalio, que es extremadamente pequeño, pero el impacto viaja a través del tantalio a casi cinco kilómetros por segundo. "Por lo tanto, no debería sorprender que la fuerza del tantalio se vea comprometida. Las mediciones, llevado a cabo en el complejo de sincrotrón Spring-8 en Japón, muestran una disminución en el espaciamiento de los átomos de tantalio inmediatamente antes de la fractura. El equipo valida sus observaciones demostrando una coincidencia cercana con simulaciones por computadora.

    Esta técnica se puede utilizar para investigar el agrietamiento a alta velocidad y otros efectos relacionados con la tensión. "Este método cierra la brecha en la comprensión de la relación entre la estructura atómica y las propiedades de los materiales, ", dice la profesora asociada Norimasa Ozaki. El movimiento en la estructura atómica de un material bajo tensión ahora se puede observar en tiempo real, y se puede determinar una propiedad importante del material, la tensión requerida para la fractura. Este conocimiento beneficiará el diseño y la fabricación de equipos y tecnologías donde la resistencia al impacto es primordial.

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