Los ingenieros ahora pueden capturar y predecir la resistencia de los materiales metálicos sujetos a cargas cíclicas, o la resistencia a la fatiga, en cuestión de horas, no en los meses o años que lleva usar los métodos actuales.

En un nuevo estudio, investigadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign informan que las imágenes electrónicas automatizadas de alta resolución pueden capturar los eventos de deformación a nanoescala que conducen a la falla y rotura del metal en el origen de la falla del metal. El nuevo método ayuda a los científicos a predecir rápidamente la resistencia a la fatiga de cualquier aleación y a diseñar nuevos materiales para sistemas de ingeniería sujetos a cargas repetidas para aplicaciones médicas, de transporte, seguridad, energía y medioambientales.

Los hallazgos del estudio, dirigido por los profesores de ciencia e ingeniería de materiales Jean-Charles Stinville y Marie Charpagne, se publican en la revista Science.

La fatiga de los metales y las aleaciones, como la flexión repetida de un sujetapapeles de metal que conduce a su fractura, es la causa principal de las fallas en muchos sistemas de ingeniería, dijo Stinville. Definir la relación entre la resistencia a la fatiga y la microestructura es un desafío porque los materiales metálicos muestran estructuras complejas con características que van desde el nanómetro hasta la escala del centímetro.

"Este problema multiescala es un problema de larga data porque estamos tratando de observar eventos dispersos de tamaño nanométrico que controlan las propiedades macroscópicas y solo pueden capturarse investigando áreas grandes con una resolución fina", dijo Charpagne. "El método actual para determinar la resistencia a la fatiga en los metales utiliza pruebas mecánicas tradicionales que son costosas, consumen mucho tiempo y no brindan una imagen clara de la causa raíz de la falla".

En el estudio actual, los investigadores encontraron que la investigación estadística de los eventos a nanoescala que aparecen en la superficie del metal cuando se deforma puede informar la resistencia a la fatiga de los metales. El equipo es el primero en descubrir esta relación utilizando la correlación de imágenes digitales de alta resolución automatizada recopilada en el microscopio electrónico de barrido, una técnica que compila y compara una serie de imágenes registradas durante la deformación, dijo Stinville. Los investigadores demostraron esta relación en aleaciones de aluminio, cobalto, cobre, hierro, níquel, acero y aleaciones refractarias utilizadas en una gran variedad de aplicaciones clave de ingeniería.

"Lo que es notable es que los eventos de deformación a nanoescala que aparecen después de un solo ciclo de deformación se correlacionan con la resistencia a la fatiga que informa la vida útil de una pieza metálica en una gran cantidad de ciclos", dijo Stinville. "Descubrir esta correlación es como tener acceso a una huella dactilar de deformación única que puede ayudarnos a predecir rápidamente la vida de fatiga de las piezas metálicas".

"Diseñar materiales metálicos con mayor resistencia a la fatiga significa materiales más seguros, resistentes y duraderos", dijo Charpagne. "Este trabajo tiene impactos sociales, ambientales y económicos porque arroja luz sobre los parámetros de micro y nanoescala para ajustarse al diseño de materiales con una vida más larga. Creo que este trabajo definirá un nuevo paradigma en el diseño de aleaciones". + Explora más

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