Investigadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign han descubierto cómo capturar y predecir la resistencia de los materiales metálicos sujetos a cargas cíclicas, o resistencia a la fatiga, en cuestión de horas.
Antes de su trabajo, tomó meses decodificar la misma información, que es útil para aplicaciones médicas, de transporte, seguridad, energía y medio ambiente.
En un nuevo estudio publicado en la revista Science, los investigadores informan que las imágenes automatizadas de electrones de alta resolución pueden capturar la nanoescala eventos de deformación que conducen a la falla del metal y la rotura 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.
Según el grupo de Illinois, la fatiga de los metales y las aleaciones, como la flexión repetida de un sujetapapeles de metal que provoca su fractura, es la causa fundamental de las fallas en muchos sistemas de ingeniería. 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 la investigadora codirectora Marie Charpagne en un comunicado de prensa.
“El método actual para determinar la resistencia a la fatiga en 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 artículo actual, Charpagne y sus colegas 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 mediante la correlación automatizada de imágenes digitales de alta resolución recopiladas en el microscopio electrónico de barrido, una técnica que compila y compara una serie de imágenes registradas durante la deformación. Esta relación se demostró 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 el co-investigador principal Jean-Charles 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”.
Para Stinville y Charpagne, diseñar materiales metálicos con mayor resistencia a la fatiga y una vida más larga significa objetos más seguros, resistentes y duraderos, por lo que creen que su trabajo tiene impactos sociales, ambientales y económicos.
“Creo que este trabajo definirá un nuevo paradigma en el diseño de aleaciones”, dijo Charpagne.
