Un nuevo estudio en la revista Naturaleza muestra cómo se pueden modelar los metales a nanoescala para que sean más resistentes a la fatiga, la lenta acumulación de daño interno por esfuerzo repetitivo.

La investigación se centró en el metal fabricado con nanotwins, diminutos límites lineales en la red atómica de un metal que tienen estructuras cristalinas idénticas en ambos lados. El estudio mostró que los nantowins 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 fatiga, "dijo Huajian Gao, profesor de la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Brown y autor correspondiente de la nueva investigación. "Este trabajo representa un camino potencial hacia metales más resistentes a la fatiga, 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 China de Ciencias.

Para estudiar los efectos de fatiga de los nanotwins, los investigadores electrochaparon muestras de cobre a granel con estructuras gemelas estrechamente espaciadas 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 deformación y midieron la respuesta de tensión asociada del material utilizando un sistema de prueba de fatiga. Comenzando con una amplitud de deformación del 0,02 por ciento, los investigadores aumentaron progresivamente la amplitud cada 1, 500 ciclos a .04, luego .06, finalmente alcanzando un máximo de .09 antes de retroceder a través de las amplitudes de deformación.

Las pruebas mostraron que la respuesta al estrés del cobre nanotwinning se estabilizó rápidamente en cada amplitud de deformación. Más importante, Gao dijo, el estudio encontró que la respuesta al estrés en cada amplitud de deformación fue la misma durante la segunda mitad del experimento, cuando el metal pasó por cada amplitud de deformación por segunda vez. Eso significa que el material no se endureció ni se ablandó bajo la tensión, como se esperaría que hiciera la mayoría de los metales.

"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 tensión cíclica es independiente de la historia, el daño no se acumula como lo hace en materiales comunes ".

Para comparacion, los investigadores realizaron experimentos similares en muestras no nanotwinning, que mostró un endurecimiento y ablandamiento significativos (dependiendo del material) y mostró el tipo de efectos de fatiga acumulativa que son comunes en la mayoría de los metales.

Para comprender el mecanismo detrás de esta resistencia a la fatiga, los investigadores realizaron simulaciones en supercomputadora de la estructura atómica del metal. A nivel atómico, La deformación del material se manifiesta a través del movimiento de dislocaciones, defectos de línea en la estructura cristalina donde los átomos son empujados fuera de lugar. Las simulaciones mostraron que las estructuras de nanotwin organizan las dislocaciones relacionadas con la tensión en bandas lineales llamadas dislocaciones de collar correlacionadas (llamadas así por su apariencia similar a un collar de cuentas en la simulación). Dentro de cada grano de cristal, las dislocaciones permanecen paralelas entre sí y no bloquean el movimiento de la otra, razón por la cual 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 gemelo, las dislocaciones correlativas del collar están muy organizadas y son estables. Entonces, cuando la tensión se relaja, las dislocaciones simplemente se retiran y no hay daño acumulado a la estructura de nanotwin ".

Los metales no son del todo inmunes a la fatiga, sin embargo. 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 el proceso 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 nanotwinning, demostrando anteriormente que las estructuras de 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 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 nanotwins en metales. El método de galvanoplastia utilizado para fabricar el cobre para este estudio no es práctico para fabricar componentes grandes. Y si bien ahora hay algunas formas de metal gemelado disponibles (la plasticidad inducida por el hermanamiento o acero "TWIP" es un ejemplo), Los científicos todavía están buscando formas económicas y eficientes de fabricar metales y aleaciones con estructuras gemelas.

"Es más un arte que una ciencia, y aún no lo dominamos, "dijo Lu, uno de los autores correspondientes de la Academia de Ciencias de China. "Esperamos que si señalamos los beneficios que puede obtener del hermanamiento, podría estimular a los expertos en fabricación a encontrar nuevas aleaciones que se doblen fácilmente ".