Las grietas generadas por la fatiga se vuelven a fusionar en los metales – Physics World

Las grietas generadas por la fatiga se vuelven a fusionar en los metales – Physics World

Marca de tiempo: 21 de agosto de 2023 8:00 a.m.

Foto de Ryan Schoell mirando la pantalla de una computadora en un laboratorio oscuro bañado por una luz láser roja.
Estudio de grietas por fatiga a nanoescala: el investigador de Sandia National Laboratories, Ryan Schoell, utiliza una técnica de microscopio electrónico de transmisión especializada desarrollada por Khalid Hattar, Dan Bufford y Chris Barr para estudiar grietas por fatiga a nanoescala. (Cortesía: Craig Fritz, Laboratorios Nacionales Sandia)

Investigadores de los Laboratorios Nacionales Sandia (SNL) y la Universidad Texas A&M en Estados Unidos han observado que las grietas en un metal se acortan. El hallazgo inesperado (las grietas normalmente se alargan) echa por tierra las teorías sobre la fractura de los metales y podría ayudar en el diseño de materiales que “curan” su propio daño interno.

Cuando los metales sufren tensiones y deformaciones repetidamente, comienzan a formarse grietas microscópicas. Estas grietas son un tipo de daño por fatiga y, con el tiempo, crecen y se extienden hasta que eventualmente causan la falla de la estructura, a menudo de manera impredecible.

Se suponía que ese crecimiento era irreversible, pero los investigadores dirigidos por SNL científico e ingeniero de materiales brad boyce descubrió que esto no es necesariamente cierto. En su estudio, utilizaron un microscopio electrónico especialmente modificado que les permitió colar muestras de platino a nanoescala repetidamente mientras observaban lo que sucede en su interior. Como era de esperar, vieron aparecer grietas de fatiga a nanoescala al principio del experimento. Sin embargo, inesperadamente, también vieron los extremos de las grietas fusionándose nuevamente aproximadamente 40 minutos después.

"Lo único que se esperaba era que las grietas se hicieran más grandes, no más pequeñas", dice Boyce. "Incluso algunas de las ecuaciones básicas que utilizamos para describir el crecimiento de grietas excluyen la posibilidad de tales procesos de curación".

Soldadura en frío de flancos de grietas

El equipo de SNL no buscaba deliberadamente este efecto cuando comenzó el experimento, pero después de observarlo, los miembros identificaron el proceso de reversión del daño, o "autocuración", como una forma de soldadura en frío que se produce en los flancos de las grietas. Este efecto es inducido por una combinación de estrés local y migración de los límites del grano, y Michael Demkowicz, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Texas A & M, vaticinó en 2013 que era posible.

"Cuando la microestructura del material cambia, puede juntar las fuerzas opuestas de una grieta", explica Demkowicz. "Si esas caras están limpias, pueden unirse y 'curarse' mediante soldadura en frío".

Si bien los investigadores han fabricado materiales autorreparables anteriormente, estos estaban hechos principalmente de plástico, no de metal. Demkowicz, sin embargo, calculó que bajo ciertas condiciones, los metales deberían poder soldar las grietas creadas por daños por fatiga. "Resultó difícil idear un experimento que pudiera probar mi predicción, pero los investigadores de SNL, que de hecho estaban trabajando para comprender la evolución general del daño, terminaron casualmente observando el proceso que yo había teorizado".

A corto plazo, afirma Demkowicz Mundo de la física que los hallazgos del equipo ayudarán a mejorar las teorías sobre las fracturas en los metales. A más largo plazo, podrían conducir a nuevas estrategias para diseñar metales que resistan daños.

Para este estudio, que se detalla en NaturalezaLos investigadores realizaron sus mediciones en el vacío, por lo que no está claro si la curación de las grietas también puede ocurrir en el aire. A los investigadores ahora les gustaría saber si esto es posible.

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