Justo a tiempo para el frío del invierno: un equipo de investigadores dirigido por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de los EE. UU. Berkeley Lab ha identificado varios mecanismos que hacen que un material nuevo y amante del frío sea uno de los más durosaleaciones metálicas siempre.
La aleación está hecha de cromo, manganeso, hierro, cobalto y níquel, por lo que los científicos lo llaman CrMnFeCoNi. Es excepcionalmente resistente y fuerte a temperatura ambiente, lo 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 resistente y más fuerte cuanto más frío se vuelve, lo que lo convierte en una posibilidad intrigante para su uso en aplicaciones criogénicas, como tanques de almacenamiento de gas natural licuado.
Para conocer sus secretos, el equipo dirigido por Berkeley Lab estudió la aleación con microscopía electrónica de transmisión, ya que estaba sometida a tensión. Las imágenes revelaron varios mecanismos a nanoescala que se activan en la aleación, uno tras otro, que juntos resisten la propagación del daño.Entre los mecanismos se encuentran los puentes que se forman a través de las grietas para inhibir su propagación. Tal puente de grietas es un mecanismo de endurecimiento común en compuestos y cerámicas, pero no se ve a menudo en metales no reforzados.
Sus hallazgos podrían guiar investigaciones futuras destinadas a diseñar materiales metálicos con una tolerancia al daño inigualable. La investigación aparece en la edición del 9 de diciembre de 2015 de la revista Comunicaciones de la naturaleza .
"Analizamos la aleación en trabajos anteriores y encontramos propiedades espectaculares: alta tenacidad y resistencia, que generalmente son mutuamente excluyentes en un material", dice Robert Ritchie, científico de la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab que dirigió la investigación con Qian Yu deLa Universidad de Zhejiang de China y varios otros científicos.
"Entonces, en esta investigación, usamos TEM para estudiar la aleación a nanoescala para ver qué está pasando", dice Ritchie.
En la ciencia de los materiales, la tenacidad es la resistencia de un material a la fractura, mientras que la resistencia es la resistencia de un material a la deformación. Es muy raro que un material sea altamente resistente y fuerte, pero CrMnFeCoNi no es una rutinaaleación. Es un miembro estrella de una nueva clase de aleaciones desarrolladas hace aproximadamente una década que contiene cinco o más elementos en cantidades aproximadamente iguales. Por el contrario, la mayoría de las aleaciones convencionales tienen un elemento dominante. Estas nuevas aleaciones multicomponentes se denominan de alta entropíaaleaciones porque consisten principalmente en una fase de solución sólida simple y, por lo tanto, tienen una alta entropía de mezcla.
Son un tema candente en la investigación de materiales, y solo recientemente han estado disponibles en una calidad adecuada para el estudio. En 2014, Ritchie y sus colegas descubrieron que a temperaturas muy frías, cuando se deforma CrMnFeCoNi, se produce un fenómeno llamado "hermanamiento",en el que las regiones cristalinas adyacentes forman disposiciones especulares entre sí. El hermanamiento probablemente juega un papel en la increíble dureza y resistencia de la aleación. Pero el hermanamiento no se encuentra ampliamente en la aleación a temperatura ambiente excepto en los puentes de grietas, pero la dureza de la aleacióny la fuerza todavía está casi fuera de los gráficos.
"Si no vemos el hermanamiento a temperatura ambiente, ¿qué otros mecanismos le dan a la aleación estas increíbles propiedades?", Pregunta Ritchie.
Para averiguarlo, los científicos sometieron la aleación a varios experimentos de esfuerzo a temperatura ambiente y utilizaron microscopía electrónica de transmisión para observar lo que sucede.
Sus imágenes de lapso de tiempo revelaron dos fenómenos relacionados con el esfuerzo cortante: dislocaciones perfectas de movimiento lento que le dan resistencia al material y dislocaciones parciales de movimiento rápido que mejoran la ductilidad. También vieron un fenómeno que involucra dislocaciones parciales llamado "apilamiento tridimensionaldefectos de falla ", en los que cambia la disposición tridimensional de los átomos en una región. Estas fallas son grandes barreras para la dislocación, como colocar una pila de ladrillos frente a una fisura en crecimiento y sirven para endurecer la aleación.
Las imágenes también capturaron la versión a nanoescala de masticar un bocado de caramelo y que sus dientes se peguen: en algunos casos, se generan pequeños puentes deformados por el hermanamiento a través de una grieta, lo que ayuda a evitar que la grieta se ensanche.
"Estos puentes son comunes en las cerámicas reforzadas y los compuestos", dice Ritchie. "Nuestra investigación encontró que todos estos mecanismos a nanoescala funcionan juntos para dar a la aleación su dureza y resistencia".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Original escrito por Dan Krotz. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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