En un trabajo que podría ayudar a prevenir la falla de todo, desde puentes hasta implantes dentales, Un equipo dirigido por un investigador de la Universidad Texas A&M ha tomado la primera imagen tridimensional de una grieta microscópica que se propaga a través de un metal dañado por el hidrógeno.

"Por primera vez pudimos atrapar al crack con las manos en la masa, "dijo el Dr. Michael J. Demkowicz, profesor asociado en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Texas A&M.

Previamente, la única forma de analizar tal falla de metal era mirar las piezas separadas de un componente completamente fracturado, lo que implica una cierta cantidad de conjeturas. La nueva investigación muestra lo que está sucediendo en la punta de la grieta cuando una pieza comienza a fracturarse.

"Es mucho mejor que llegar a la escena del crimen después del hecho, "dijo Demkowicz.

Como resultado, el equipo identificó 10 estructuras microscópicas que hacen que los metales sean más fuertes y menos susceptibles a un factor ambiental clave, el hidrógeno que nos rodea, que puede dañarlos.

Su trabajo se publica en Comunicaciones de la naturaleza . Se llevó a cabo utilizando dos poderosas herramientas en la Fuente de Fotones Avanzada (APS) del Laboratorio Nacional Argonne, y representa un hito para una de esas herramientas como el primer experimento realizado por investigadores fuera del equipo de desarrollo en Argonne y Carnegie Mellon University (CMU).

Un problema común

Los metales nos rodean en cualquier cantidad de estructuras y dispositivos, pero pueden verse afectados negativamente por el omnipresente hidrógeno que nos rodea, principalmente del agua.

"El hidrógeno entra en el metal y hace que se fracture inesperadamente en un proceso llamado fragilización por hidrógeno, "dijo John P. Hanson, ingeniero de reactores en Oklo y primer autor del artículo.

Un ejemplo destacado es el del Bay Bridge en San Francisco. Mientras se construía el puente en 2013, Los ingenieros descubrieron que 32 de los 96 enormes tornillos clave de la estructura se habían agrietado debido a la fragilización del hidrógeno. El problema se detectó temprano, por lo que no hubo catástrofes. pero retrasó algunos años la apertura del puente.

Los científicos han estudiado la fragilización por hidrógeno durante más de 150 años, pero sigue siendo difícil de predecir.

"Eso se debe en gran parte a que no tenemos una comprensión completa de los mecanismos detrás de esto, "dijo Hanson, quien realizó el trabajo mientras obtenía su doctorado en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT).

"Como resultado, los ingenieros tienen que diseñar demasiado con material adicional para cubrir cualquier falla repentina y eso cuesta mucho, "dijo el coautor Peter Kenesei de Argonne, que opera los instrumentos utilizados en el trabajo. "Entonces, una mejor comprensión de este comportamiento podría tener un impacto económico enorme".

Haciendo progreso

"Puedes progresar en problemas antiguos cuando tienes nuevas herramientas, ", dijo Demkowicz. Los investigadores emplearon dos herramientas de sincrotrón diferentes, microscopía de difracción de alta energía y tomografía de absorción de rayos X, analizar la estructura microscópica de una fisura en una superaleación de níquel. El estudio representa la primera vez que la técnica de microscopía fue utilizada por investigadores que no participaron en su desarrollo. La herramienta experimental combinada y el software de análisis son únicos en el mundo.

Un metal está compuesto de cristales microscópicos, o granos. En superaleaciones de níquel, las fracturas provocadas por la fragilización por hidrógeno viajan a lo largo de los límites entre esos granos. Hanson dijo que las herramientas únicas en la línea de luz APS 1-ID permiten por primera vez no solo mirar las orientaciones del grano alrededor de una grieta en progreso, sino también los límites de los granos. De esas observaciones, el equipo identificó 10 límites de grano que son más resistentes a las grietas.

"Pudimos mostrar no solo qué límites de grano son más fuertes, pero exactamente qué tienen ellos que mejoran su rendimiento, ", Dijo Hanson. Esto, en última instancia, podría permitir a los ingenieros construir metales más fuertes diseñándolos con esas características.

En el término más cercano, las herramientas de Argonne podrían usarse para obtener imágenes de la microestructura de los componentes metálicos existentes para predecir mejor su susceptibilidad a fallas. Kenesei señala que las herramientas ya se están utilizando de esta manera para estudiar otros materiales de ingeniería, como los relacionados con los aviones, baterías y reactores nucleares.

Desafíos extremos

El estudio tardó ocho años en completarse, principalmente porque involucraba grandes cantidades de datos que eran difíciles de analizar. Los datos brutos del trabajo llenarían casi 400 DVD. Más lejos, los datos no se parecen en nada a un modelo 3D del material.

"Está altamente encriptado en forma de rayas y puntos, o patrones de difracción, que debe ser analizado por una supercomputadora, "dijo Robert M. Suter de Carnegie Mellon University (CMU), un experto en el análisis.

Para poner los desafíos en perspectiva, Demkowicz señala que la microestructura de la grieta es en realidad mucho más complicada que la estructura del ADN, que Watson y Crick determinaron mediante el mismo proceso general, pero a mano.