Inesperado resultado muestra que en algunos casos las grietas en los metalales se fusionan y se autocuran.
Fue un resultado tan inesperado que los investigadores del MIT inicialmente pensaron que debía haber un error: Bajo ciertas condiciones, poner un pedazo roto de metal bajo tensión – es decir, ejerciendo una fuerza que se espera que lo separe – tiene el efecto contrario, causando que la grieta se cierre y sus bordes se fusionen entre sí.
El sorprendente hallazgo podría conducir a que materiales de auto-sanación que reparan daños incipientes antes de que tenga la oportunidad de propagarse. Los resultados fueron publicados en la revista Physical Review Letters en un documento por el estudiante graduado Xu Guoqiang y profesor de ciencias de los materiales e ingeniería Michael Demkowicz.
«Hemos tenido que volver atrás y comprobar», dice Demkowicz, cuando «en lugar de ampliar, [la grieta] fue cerrándose. En primer lugar, nos dimos cuenta de que, efectivamente, no pasaba nada. La siguiente pregunta fue: «¿Por qué está pasando esto?»
La respuesta resultó estar en los límites de grano interactúan con grietas en la microestructura cristalina de un metal – en este caso, el níquel, que es la base de las «superaleaciones» utilizados en condiciones extremas, como en alta mar en los pozos de petróleo.
Mediante la creación de un modelo de computadora de esa microestructura y estudiando su respuesta a varias condiciones, «Encontramos que hay un mecanismo que puede, en principio, serrar las grietas bajo un esfuerzo aplicado», dice Demkowicz.
La mayoría de los metales se hace de pequeños granos cristalinos cuyos tamaños y orientaciones puede afectar a la fuerza y otras características. Sin embargo, bajo ciertas condiciones, Demkowicz y Xu encontraron, el estrés «hace que la microestructura pueda cambiar: Se puede hacer que los límites de grano migren. Esta migración del límite de grano es la clave para la curación de la fisura», dice Demkowicz.
La idea de que los límites de grano de cristal podrían migrar dentro de un metal sólido ha sido ampliamente estudiado en la última década, dice Demkowicz. La auto-sanación, sin embargo, sólo se produce a través de un cierto tipo de límite, que explica – uno que se extiende parcialmente dentro de un grano, pero no todo el camino a través de él.
Esto crea un tipo de defecto se conoce como un » disclinación.»
Disclinaciones se observaron por primera vez hace un siglo, pero se habían considerado «una curiosidad», dice Demkowicz. Cuando él y Xu encontraron el comportamiento de la curación de las grietas «nos tomó un tiempo para convencernos de que lo que estamos viendo en realidad son disclinaciones», dijo.
Estos defectos tienen campos de esfuerzos intensos, lo que «puede ser tan fuerte, que en realidad revierte lo que iba a hacer una carga aplicada», Demkowicz dice: En otras palabras, cuando los dos lados de un material agrietado se separan, en lugar de agrietarse más allá, se pueden curar. «El estrés de los disclinaciones está provocando este comportamiento inesperado», dice.
Después de haber descubierto este mecanismo, los investigadores planean estudiar cómo diseñar aleaciones metálicas para grietas se cerrarían y curar con cargas típicas de aplicaciones particulares. Técnicas para controlar la microestructura de las aleaciones ya existen, Demkowicz dice, así que es sólo es una cuestión de encontrar la manera de lograr el resultado deseado.
«Ese es un campo de sólo estamos abriendo», dice. » ¿Cómo se diseña una microestructura de auto- sanación? Esto es muy nuevo.»
La técnica también podría aplicarse a otros tipos de mecanismos de fallo que afectan a los metales, tales como la inestabilidad de flujo de plástico – similar a estirar una pieza de caramelo hasta que se rompe. Microestructura Ingeniería de metales ‘ generar disclinaciones podría retrasar el avance de este tipo de falla, dice Demkowicz.
Estos fallos pueden ser «situaciones que limitan la vida de gran cantidad de material», dice Demkowicz, incluidos los materiales utilizados en los aviones, los pozos de petróleo y otras aplicaciones industriales críticas. La fatiga del metal, por ejemplo – que puede resultar de una acumulación de grietas a nanoescala a través del tiempo – «es probablemente el modo de falla más común» para los metales estructurales en general, dice.
«Si se puede encontrar la manera de evitar esos nanocracks o curarlos una vez que se forman, o prevenir que se propaguen», Demkowicz dice, «éste sería el tipo de cosas que se utilizaría para mejorar la vida o la seguridad de un componente.»
William Gerberich , profesor de ingeniería química y ciencia de los materiales en la Universidad de Minnesota, que no participó en esta investigación, dice que la importancia de disclinaciones en materiales inicialmente fue reevaluado hace unos años . Xu y Demkowicz, dice, «han tomado un paso más allá y sugirió que las dislocaciones de cuña, junto con el estrés impulsada por la migración del límite de grano, en realidad podría curar grietas. Este es de hecho provocador [y] puede ser una actividad muy plausible y emocionante.»
El trabajo fue financiado por los materiales BP- MIT y el Centro de la corrosión.
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