Imágenes a nanoescala muestran el porque una nueva aleación es increíblemente resistente

Un equipo de investigadores liderados por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de Estados Unidos, ha identificado varios mecanismos que hacen de un nuevo material, una de las aleaciones metálicas más resistentes al frío.

La aleación está compuesta por cromo, manganeso, hierro, cobalto y níquel (CrMnFeCoNi); es excepcionalmente resistente y fuerte a temperatura ambiente, que se traduce en una excelente ductilidad, resistencia a la tracción y resistencia a la fractura. Y a diferencia de la mayoría de los materiales, la aleación se vuelve más dura y más fuerte cuando desciende de manera importante la temperatura, por lo que abre una interesante posibilidad para su uso en aplicaciones criogénicas, tales como tanques de almacenamiento de gas natural licuado.

Para conocer sus secretos, el equipo de investigación estudió y observó con un microscopio electrónico de transmisión, el comportamiento de la aleación sometida a esfuerzos, revelando las imágenes obtenidas, varios mecanismos que a nivel de nanoescala y uno tras otro activan a la aleación, de manera de resistir en conjunto la propagación de la grieta.

Entre los mecanismos observados están los puentes que se forman a través de una grieta provocada por el esfuerzo, para inhibir su propagación. Este mecanismo de puentes a través de la grieta, es un mecanismo de endurecimiento común en materiales compuestos y cerámica, pero no es común en los metales no reforzados. Estos puentes inhiben el crecimiento de la grieta, y son uno de los diversos mecanismos identificados por los científicos que dan a la aleación una tenacidad y una resistencia increíble.

Los hallazgos sin precedentes de esta investigación, publicados en la revista Nature Communications, podrían guiar futuras investigaciones orientadas al diseño de materiales metálicos con tolerancia a los daños. Según expresó Robert Ritchie, un científico de la División de Ciencia de los Materiales del Berkeley Lab: “Analizamos la aleación en un trabajo anterior y encontramos propiedades espectaculares: alta tenacidad y resistencia, que suelen ser mutuamente excluyentes en un material”.

En la ciencia de materiales, la dureza es la resistencia de un material a la rotura, mientras que la fuerza es la resistencia de un material a la deformación. Es muy raro que un material sea a la vez muy resistente y fuerte, pero CrMnFeCoNi no es una aleación común y corriente. Es un miembro estelar de una nueva clase de aleaciones desarrolladas hace aproximadamente una década que contiene cinco o más elementos en cantidades aproximadamente iguales. En contraste, la mayoría de las aleaciones convencionales tienen un elemento dominan,te. Estas nuevas aleaciones de múltiples componentes se denominan aleaciones de alta entropía, porque consisten principalmente de una fase de solución sólida simple, y por lo tanto tienen una alta entropía de mezclado.

Para averiguar que otros mecanismos dan a la aleación estas propiedades sorprendentes, los científicos sometieron a la aleación a varios experimentos en tensión a temperatura ambiente, y se utilizó el microscopio electrónico de transmisión para observar lo que sucedía. Las imágenes revelaron dos fenómenos relacionados con la tensión de corte: perfectas dislocaciones en movimiento lento, que confieren la resistencia al material; y dislocaciones parciales de movimiento rápido, que mejoran la ductilidad. También vieron un fenómeno que implica dislocaciones parciales llamado “defecto de falla de apilamiento en tres dimensiones”, en el que cambia la disposición 3-D de los átomos en una región. Estos fallos son grandes barreras a la dislocación, como la colocación de una pila de ladrillos en frente de una fisura en crecimiento, y sirven para endurecer la aleación.

Ver artículo en Nature Communications:

http://www.nature.com/ncomms/2015/151209/ncomms10143/full/ncomms10143.html

Ver imágenes a nanoescala:

https://youtu.be/VLKJ_4BqL0U

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stacruzricardo

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