A menudo se considera que los materiales son una fase, pero muchos materiales de ingeniería contienen dos o más fases, lo que mejora sus propiedades y rendimiento. Estos materiales de dos fases tienen inclusiones, llamadas precipitados, incrustadas en la microestructura.

Las aleaciones, una combinación de dos o más tipos de metales, se utilizan en muchas aplicaciones, como turbinas para motores a reacción y aleaciones ligeras para aplicaciones automotrices, porque tienen muy buenas propiedades mecánicas debido a esos precipitados incrustados. Sin embargo, el tamaño promedio del precipitado tiende a aumentar con el tiempo (en un proceso llamado engrosamiento), lo que resulta en una degradación del rendimiento de las microestructuras con precipitados a nanoescala.

Investigadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign han identificado una vía novedosa para estabilizar los precipitados a nanoescala en aleaciones. En un nuevo estudio, el profesor de ciencia e ingeniería de materiales Pascal Bellon, el investigador postdoctoral Gabriel Bouobda Moladje y sus colaboradores muestran que es posible utilizar procesos de desequilibrio para detener el engrosamiento de los precipitados, lo que da como resultado nanoestructuras estables.

Los resultados de esta investigación se publicaron recientemente en Physical Review Letters. .

"En las últimas dos décadas, los investigadores se han dado cuenta de que tener inclusiones a nanoescala en la estructura puede ser muy beneficioso para el material", dice Bellon. "El desafío es que, espontáneamente, estas pequeñas partículas quieren crecer."

Piense en ello como si fuera a hacer pasta:cuando se agrega aceite al agua hirviendo, las gotas de aceite pueden ser pequeñas cuando se agregan y revuelven por primera vez, pero si se deja de revolver, las gotas se combinarán para formar gotas más grandes. Este es el proceso de engrosamiento. "Si nos interesa la distribución de objetos de pequeña escala, tenemos que trabajar en contra de esta tendencia natural a que las cosas se vuelvan toscas", explica Bellon.

El equipo utilizó modelos computacionales para investigar los precipitados formados en los dominios entre diferentes cristales del material, llamados límites de grano, cuando se somete a irradiación, una fuerza de desequilibrio. En un entorno de equilibrio, las fuerzas están equilibradas y no hay ningún cambio neto en el material. Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones, los materiales duros están sujetos a fuerzas de desequilibrio, como la irradiación o incluso la agitación. Por lo tanto, es importante comprender cómo evolucionan los precipitados en entornos de desequilibrio.

"Estábamos especialmente interesados ​​en las aleaciones sometidas a irradiación de partículas energéticas", afirma Bellon. "Esta es una situación que ocurre, por ejemplo, con los materiales utilizados para aplicaciones nucleares. También es el caso de los materiales utilizados en el espacio, donde son bombardeados por rayos cósmicos. Lo que estábamos analizando específicamente era un modelo de aleación de aluminio y antimonio. ."

En las aleaciones de aluminio y antimonio, el antimonio tiende a formar precipitados, como el petróleo quiere formar gotas en el agua. Los investigadores descubrieron que, cuando se irradiaban, se formaban precipitados en los límites de los granos como se esperaba. Pero también descubrieron que, en lugar de volverse más gruesos y seguir creciendo, los precipitados alcanzaban un cierto tamaño y se detenían. Esto se llama comportamiento grosero detenido y fue un resultado inesperado.

Este enfoque podría aplicarse a otros sistemas de materiales donde el transporte de especies juega un papel importante, como el transporte de especies iónicas entre electrodos en baterías. En materiales para baterías, puede resultar ventajoso tener precipitados pequeños, ya que los precipitados grandes pueden generar mucha tensión en el material. En tal caso, la supresión del engrosamiento sería beneficiosa.

Después de esta investigación computacional, Bellon, junto con los profesores de UIUC MatSE, Robert Averback y Marie Charpagne, planean comenzar a explorar la validación experimental de los resultados publicados recientemente. Bellon dice:"Estamos entusiasmados de combinar modelado, teoría y experimentos, mientras aprovechamos todas las herramientas del Laboratorio de Investigación de Materiales, para probar las predicciones de simulaciones por computadora a un nivel experimental".

Más información: G. F. Bouobda Moladje et al, Patrones de composición inducidos por convección en los límites de grano en aleaciones irradiadas, Cartas de revisión física (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.056201

Información de la revista: Cartas de revisión física

Proporcionado por la Facultad de Ingeniería Grainger de la Universidad de Illinois