Un primer estudio mundial realizado por ingenieros de la Universidad de Monash ha demostrado mejoras en la vida útil a la fatiga de las aleaciones de aluminio de alta resistencia en 25 veces, un resultado significativo para la industria de fabricación de transporte.

Publicado hoy (jueves 15 de octubre de 2020) en la prestigiosa revista Comunicaciones de la naturaleza , Los investigadores demostraron que el bajo rendimiento a la fatiga de las aleaciones de aluminio de alta resistencia se debía a los eslabones débiles denominados "zonas libres de precipitados" (PFZ).

El equipo dirigido por el profesor Christopher Hutchinson, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Monash en Australia, pudo hacer microestructuras de aleación de aluminio que pueden curar los eslabones débiles mientras están en funcionamiento (es decir, una forma de autocuración).

La mejora en la vida útil de las aleaciones de aluminio de alta resistencia podría ser 25 veces mayor en comparación con las aleaciones actuales de última generación.

Las aleaciones de aluminio son la segunda aleación de ingeniería más popular en uso en la actualidad. Comparado con el acero, son ligeros (1/3 de la densidad), no magnéticos y tienen una excelente resistencia a la corrosión.

Las aleaciones de aluminio son importantes para las aplicaciones de transporte porque son ligeras, lo que mejora la eficiencia del combustible. Pero, sus propiedades de fatiga son notoriamente malas en comparación con el acero de resistencia similar.

El profesor Hutchinson dijo que cuando se utilizan aleaciones de aluminio para el transporte, el diseño debe compensar las limitaciones de fatiga de las aleaciones de aluminio. Esto significa que se utiliza más material del que desearían los fabricantes y que las estructuras son más pesadas de lo que nos gustaría.

"El ochenta por ciento de todas las fallas de aleación de ingeniería se deben a la fatiga. La fatiga es una falla debido a una tensión alterna y es un gran problema en la industria de fabricación e ingeniería, "Dijo el profesor Hutchinson.

"Piense en tomar un clip de metal en sus manos y tratar de romper el metal. No se puede. Sin embargo, si lo doblas de una manera, luego el otro, y de ida y vuelta varias veces, el metal se romperá.

"Esto es 'falla por fatiga' y es una consideración importante para todos los materiales utilizados en aplicaciones de transporte, como los trenes, carros, camiones y aviones ".

El fracaso por fatiga se produce por etapas. La tensión alternativa conduce a la microplasticidad (que experimenta un cambio permanente debido a la tensión) y la acumulación de daño en forma de una localización de plasticidad en los eslabones débiles del material.

La localización plástica cataliza una grieta por fatiga. Esta grieta crece y conduce a la fractura final.

Usando AA2024 disponible comercialmente, Aleaciones de aluminio AA6061 y AA7050, Los investigadores utilizaron la energía mecánica impartida a los materiales durante los primeros ciclos de fatiga para curar los puntos débiles de la microestructura (las PFZ).

Esto retrasó fuertemente la localización de la plasticidad y el inicio de grietas por fatiga, y vio una mayor vida útil y resistencia a la fatiga.

El profesor Hutchinson dijo que estos hallazgos podrían ser importantes para la industria de fabricación de transporte, ya que la demanda de combustible eficiente, aviones ligeros y duraderos, carros, camiones y trenes sigue creciendo.

"Nuestra investigación ha demostrado un cambio conceptual en el diseño microestructural de aleaciones de aluminio para aplicaciones de carga dinámica, " él dijo.

"En lugar de diseñar una microestructura fuerte y esperar que permanezca estable durante el mayor tiempo posible durante la carga de fatiga, Reconocimos que la microestructura será cambiada por la carga dinámica y, por eso, diseñó una microestructura inicial (que puede tener una resistencia estática más baja) que cambiará de tal manera que su rendimiento a la fatiga se mejorará significativamente.

"En este sentido, la estructura está capacitada y el programa de capacitación se utiliza para curar las ZFP que de otro modo representarían los puntos débiles. El enfoque es general y podría aplicarse a otras aleaciones endurecidas por precipitado que contienen PFZ para las que el rendimiento a la fatiga es una consideración importante ".