Científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía y de la Universidad de Tennessee, Knoxville, han encontrado una manera de aumentar simultáneamente la resistencia y la ductilidad de una aleación introduciendo pequeños precipitados en su matriz y ajustando su tamaño y espaciado. Los precipitados son sólidos que se separan de la mezcla de metales cuando la aleación se enfría. Los resultados, publicado en la revista Naturaleza , abrirá nuevas vías para el avance de los materiales estructurales.

La ductilidad es una medida de la capacidad de un material para sufrir una deformación permanente sin romperse. Determina, entre otras cosas, cuánto puede alargarse un material antes de fracturarse y si esa fractura será elegante o catastrófica. Cuanto mayor sea la resistencia y la ductilidad, cuanto más resistente es el material.

"Un santo grial de materiales estructurales ha sido durante mucho tiempo, ¿Cómo se mejora simultáneamente la fuerza y ​​la ductilidad? ", dijo Easo George, Investigador principal del estudio y Presidente del Gobernador de Teoría y Desarrollo Avanzados de Aleaciones en ORNL y UT. "Derrotar el equilibrio entre resistencia y ductilidad permitirá una nueva generación de peso ligero, fuerte, materiales tolerantes al daño ".

Si los materiales estructurales pudieran volverse más fuertes y más dúctiles, componentes de automóviles, aviones plantas de energía, los edificios y puentes podrían construirse utilizando menos material. Los vehículos más livianos serían más eficientes energéticamente de fabricar y operar, y una infraestructura más sólida sería más resistente.

El co-investigador principal Ying Yang de ORNL concibió y dirigió el Naturaleza estudio. Guiado por simulaciones de termodinámica computacional, ella diseñó y hizo modelos de aleaciones a medida con la capacidad especial de someterse a una transformación de fase de una cúbica centrada en la cara, o FCC, a un cúbico centrado en el cuerpo, o BCC, estructura cristalina, impulsado por cambios en la temperatura o el estrés.

"Colocamos nanoprecipitados en una matriz transformable y controlamos cuidadosamente sus atributos, que a su vez controlaba cuándo y cómo se transformó la matriz, "Dijo Yang." En este material, intencionalmente inducimos a la matriz para que tuviera la capacidad de experimentar una transformación de fase ".

La aleación contiene cuatro elementos principales:hierro, níquel, aluminio y titanio:que forman la matriz y se precipitan, y tres elementos menores:carbono, circonio y boro, que limitan el tamaño de los granos, cristales metálicos individuales.

Los investigadores mantuvieron cuidadosamente la composición de la matriz y la cantidad total de nanoprecipitados igual en diferentes muestras. Sin embargo, Variaron los tamaños y espaciamientos de los precipitados ajustando la temperatura y el tiempo de procesamiento. Para comparacion, También se preparó y ensayó una aleación de referencia sin precipitados pero que tenía la misma composición que la matriz de la aleación que contenía el precipitado.

"La resistencia de un material generalmente depende de qué tan cerca estén los precipitados entre sí, ", Dijo George." Cuando se hacen unos pocos nanómetros [mil millonésimas de metro] de tamaño, pueden estar muy poco espaciados. Cuanto más cerca estén, cuanto más fuerte se vuelve el material ".

Mientras que los nanoprecipitados en las aleaciones convencionales pueden hacerlos súper fuertes, también hacen que las aleaciones sean muy frágiles. La aleación del equipo evita esta fragilidad porque los precipitados realizan una segunda función útil:al restringir espacialmente la matriz, impiden que se transforme durante un enfriamiento térmico, una inmersión rápida en agua que enfría la aleación a temperatura ambiente. Como consecuencia, la matriz permanece en un estado FCC metaestable. Cuando la aleación se estira ("tensa"), progresivamente se transforma de FCC metaestable a BCC estable. Esta transformación de fase durante el esfuerzo aumenta la resistencia al tiempo que mantiene la ductilidad adecuada. A diferencia de, la aleación sin precipitados se transforma completamente en FCC estable durante el enfriamiento térmico, lo que impide una mayor transformación durante el esfuerzo. Como resultado, es más débil y más frágil que la aleación con precipitados. Juntos, los mecanismos complementarios de fortalecimiento por precipitación convencional y transformación inducida por deformación aumentaron la resistencia en un 20% -90% y el alargamiento en un 300%.

"Es bien conocido agregar precipitados para bloquear las dislocaciones y hacer que los materiales sean ultrarresistentes, "Dijo George." Lo que es nuevo aquí es que ajustar el espaciamiento de estos precipitados también afecta la propensión a la transformación de fase, lo que permite activar múltiples mecanismos de deformación según sea necesario para mejorar la ductilidad ".

El estudio también reveló una sorprendente inversión del efecto fortalecedor normal de los nanoprecipitados:una aleación con gruesos, precipitados ampliamente espaciados es más fuerte que la misma aleación con finos, precipitados poco espaciados. Esta inversión ocurre cuando los nanoprecipitados se vuelven tan pequeños y compactos que la transformación de fase se detiene esencialmente durante el esfuerzo del material. no muy diferente de la transformación suprimida durante el enfriamiento térmico.

Este estudio se basó en técnicas complementarias realizadas en las instalaciones de usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL para caracterizar los nanoprecipitados y los mecanismos de deformación. En el Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos, La tomografía con sonda atómica mostró el tamaño, distribución y composición química de los precipitados, mientras que la microscopía electrónica de transmisión expuso detalles atomísticos de regiones locales. En el reactor de isótopos de alto flujo, La dispersión de neutrones de ángulo pequeño cuantificó la distribución de precipitados finos. Y en la fuente de neutrones de espalación, la difracción de neutrones probó la transformación de fase después de diferentes niveles de tensión.

"Esta investigación presenta una nueva familia de aleaciones estructurales, "Dijo Yang." Las características de los precipitados y la química de la aleación se pueden adaptar con precisión para activar los mecanismos de deformación exactamente cuando sea necesario para frustrar el equilibrio entre resistencia y ductilidad ".

A continuación, el equipo investigará factores adicionales y mecanismos de deformación para identificar combinaciones que podrían mejorar aún más las propiedades mecánicas.

Resulta, hay mucho margen de mejora. "Los materiales estructurales de hoy se dan cuenta de una pequeña fracción, tal vez solo del 10%, de sus resistencias teóricamente capaces, ", Dijo George." Imagínese el ahorro de peso que sería posible en un automóvil o un avión, y el consiguiente ahorro de energía, si esta resistencia pudiera duplicarse o triplicarse mientras se mantiene la ductilidad adecuada ".

El título de la Naturaleza el papel es "Los nanoprecipitados bifuncionales fortalecen y ductilizan una aleación de entropía media".