Un modelo de 70 años utilizado para predecir la microestructura de los materiales no funciona para los materiales actuales, dicen los investigadores de la Universidad Carnegie Mellon en Ciencias . Una técnica de microscopía desarrollada por Carnegie Mellon y Argonne National Laboratory arroja evidencia que contradice el modelo convencional y señala el camino hacia el uso de nuevos tipos de caracterizaciones para predecir propiedades, y por lo tanto la seguridad y durabilidad a largo plazo, de nuevos materiales.

Si un metalúrgico descubriera una aleación que pudiera mejorar drásticamente el rendimiento de una aeronave, podrían pasar hasta veinte años antes de que un pasajero pudiera abordar un avión fabricado con esa aleación. Sin forma de predecir cómo cambiará un material cuando esté sujeto a los factores estresantes del procesamiento o el uso diario, los investigadores utilizan prueba y error para establecer la seguridad y durabilidad de un material. Este largo proceso es un cuello de botella significativo para la innovación de materiales.

Los profesores Gregory Rohrer y Robert Suter del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales y el Departamento de Física de la Universidad Carnegie Mellon han descubierto nueva información que ayudará a los científicos de materiales a predecir cómo cambian las propiedades de los materiales en respuesta a factores estresantes como las temperaturas elevadas. Utilizando microscopía de difracción de alta energía de campo cercano (HEDM), encontraron que el modelo establecido para predecir la microestructura y las propiedades de un material no se aplica a los materiales policristalinos y se necesita un nuevo modelo.

Al ojo metales más utilizados, Las aleaciones y cerámicas utilizadas en equipos y productos industriales y de consumo parecen ser uniformemente sólidas. Pero a nivel microscópico, son policristalinos, compuesto por agregados de granos de diferente tamaño, formas y orientaciones de los cristales. Los granos están unidos por una red de límites de granos que cambian cuando se exponen a factores estresantes, cambiando las propiedades del material.

Cuando hacen un nuevo material, los científicos necesitan controlar su microestructura, que incluye sus límites de grano. Los científicos de materiales manipulan la densidad de los límites de los granos para satisfacer diferentes necesidades. Por ejemplo, la estructura que rodea la cabina de pasajeros en un automóvil está hecha de un acero de ultra alta resistencia que contiene más bordes de grano que los paneles estéticos de la carrocería en la zona de deformación de la parte delantera del automóvil.

Durante los últimos 70 años, Los investigadores han predicho el comportamiento de los materiales utilizando una teoría que dice que la velocidad a la que se mueven los límites de grano a lo largo de un material calentado está correlacionada con la forma del límite. Rohrer y Suter han demostrado que esta teoría, formulado para describir el caso más ideal, no se aplica en policristales reales.

Los policristales son más complicados que los casos ideales estudiados en el pasado. Rohrer explicó, "Si uno considera el límite de un solo grano en un cristal, puede moverse sin interrupción, como un coche conduciendo por una calzada vacía. En los policristales, cada límite de grano está conectado, de media, diez más, así que es como si ese coche chocara contra el tráfico:ya no puede moverse con tanta libertad. Por lo tanto, este modelo ya no es válido ". Además, Rohrer y Suter descubrieron que a menudo los límites de los granos de policristales ni siquiera se movían en la dirección que el modelo habría predicho.

HEDM, una técnica que fue iniciada por Suter y sus colegas utilizando la Fuente de Fotones Avanzada (APS) del Laboratorio Nacional Argonne, fue clave para estos descubrimientos. HEDM y sus técnicas asociadas permiten a los investigadores obtener imágenes de miles de cristales de forma no destructiva y medir sus orientaciones dentro de metales y cerámicas opacas. La técnica requiere rayos X de alta energía disponibles solo en una de las pocas fuentes de sincrotrón en todo el mundo.

"Es como tener una visión de rayos X en 3D, "dijo Suter." Antes, no se pueden mirar los granos de un material sin cortarlo. HEDM nos permite ver de forma no invasiva las orientaciones y los límites del grano a medida que evolucionan con el tiempo ".

El desarrollo de HEDM comenzó hace unos 20 años y continúa hasta el día de hoy. El grupo de Suter trabajó con científicos de APS para desarrollar procedimientos para la colección sincronizada de miles de imágenes de patrones de difracción de rayos X de una muestra de material a medida que experimenta una rotación de precisión en un haz incidente intenso. Los códigos informáticos de alto rendimiento desarrollados por el grupo de investigación de Suter convierten los conjuntos de imágenes en mapas tridimensionales de los granos cristalinos que componen la microestructura del material.

Hace diez años, El grupo de Suter (incluidos los estudiantes graduados de Física Chris Hefferan, Shiu-Fai Li, y Jon Lind) midieron repetidamente una muestra de níquel después de sucesivos tratamientos a alta temperatura que dieron como resultado las primeras observaciones de los movimientos de los límites de los granos individuales. Estos movimientos no lograron mostrar el comportamiento sistemático predicho por la teoría de 70 años. El punto de vista desarrollado por los investigadores de Carnegie Mellon en el artículo de Science correlaciona la estructura de los límites del grano con los comportamientos sistemáticos observados en los datos experimentales de HEDM.

Si bien el análisis actual se basa en un solo material, níquel, La microscopía de difracción de rayos X se está utilizando en muchos materiales y Rohrer y Suter creen que muchos de esos materiales demostrarán un comportamiento similar al observado en el níquel. También se están estudiando aplicaciones similares a otras condiciones de procesamiento de materiales.

Esta investigación fue financiada por el programa Designing Materials to Revolutionize and Engineer the Future de la National Science Foundation (DRMEF). La subvención de cuatro años del equipo se renovó por $ 1.8 millones de dólares a partir del 1 de octubre de 2021. Kaushik Dayal de Carnegie Mellon, Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, Elizabeth Holm, Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, y David Kinderlehrer, El Departamento de Ciencias Matemáticas también participará en los próximos pasos de la investigación para estudiar cómo y por qué los policristales se comportan de esta manera en diferentes materiales. Los profesores Carl Krill (Universidad de Ulm, Alemania) y Amanda Krause (Universidad de Florida) también forman parte de la colaboración.