Cuando el acero, el aluminio y otros metales o aleaciones ampliamente utilizados pasan por procesos industriales como el mecanizado, laminado y forjado, su estructura a nanoescala sufre cambios drásticos. Los procesos de producción extremadamente rápidos dificultan el análisis de estos cambios debido a la gran velocidad y la pequeña escala a la que tienen lugar, pero los investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en los EE. ocurre cuando se forman granos de cristal en el metal bajo una deformación extrema a nanoescala. Su trabajo podría ayudar en el desarrollo de estructuras metálicas con propiedades mejoradas, como dureza y tenacidad.
En general, cuanto más pequeños sean estos granos de cristal, más duro y fuerte será el metal. Los metalúrgicos a menudo buscan reducir el tamaño del grano sometiendo los metales a tensión. Una de las principales técnicas que utilizan para hacer esto es la recristalización, en la que el metal se deforma a alta tensión y se calienta para producir cristales más finos. En casos extremos, este proceso puede producir granos con dimensiones a nanoescala.
“No es solo una curiosidad de laboratorio”
El equipo del MIT dirigido por Christopher Schuh ahora ha determinado cómo se lleva a cabo este proceso de alta velocidad y pequeña escala. Hicieron esto usando un láser para lanzar micropartículas de metal de cobre sobre un metal a velocidades supersónicas y observando lo que sucedía cuando las partículas lo golpeaban. Schuh señala que velocidades tan altas “no son solo una curiosidad de laboratorio”, con procesos industriales como el mecanizado de alta velocidad; molienda de polvo metálico de alta energía; y un método de recubrimiento llamado rociado en frío que se lleva a cabo a tasas similares.
“Hemos tratado de entender ese proceso de recristalización bajo esas tasas tan extremas”, explica. “Debido a que las tasas son tan altas, nadie ha sido realmente capaz de profundizar allí y observar sistemáticamente ese proceso antes”.
En sus experimentos, los investigadores variaron la velocidad y la fuerza de los impactos y luego estudiaron los sitios impactados utilizando métodos avanzados de microscopía a nanoescala, como la difracción de retrodispersión de electrones y la microscopía electrónica de transmisión de barrido. Este enfoque les permitió analizar los efectos del aumento de los niveles de tensión.
Descubrieron que los impactos refinan dramáticamente la estructura del metal, creando granos de cristal de solo nanómetros de ancho. También observaron un proceso de recristalización que fue ayudado por la "nanoobtención", una variación de un fenómeno bien conocido en los metales llamado hermanamiento, en el que se forma un tipo específico de defecto cuando parte de la estructura cristalina cambia su orientación.
Schuh y sus colegas observaron que cuanto más altas eran las tasas de impacto, más frecuentemente se producía el nanohermanamiento. Esto conduce a granos cada vez más pequeños a medida que los "gemelos" a nanoescala se rompen en nuevos granos de cristal, dicen. El proceso podría aumentar la resistencia del metal en un factor de 10, lo que Schuh describe como no despreciable.
Una mejor comprensión mecanicista
Schuh describe el resultado del equipo como una extensión de un efecto conocido llamado endurecimiento que proviene de los golpes de martillo en la forja de metal ordinaria. “Nuestro efecto es una especie de fenómeno de hiperforja”, dice. Aunque el resultado tiene sentido en ese contexto, Schuh dice Mundo de la física que podría conducir a una mejor comprensión mecánica de cómo se forman las estructuras metálicas, facilitando a los ingenieros el diseño de condiciones de procesamiento para controlar estas estructuras. “Las estructuras muy pequeñas a nanoescala que observamos en nuestro trabajo son de interés por su extrema fuerza, por ejemplo”, dice.
¿Por qué lo hace gradualmente para maximizar la fuerza?
Según el miembro del equipo Ahmed Tiamiyú, los nuevos hallazgos podrían aplicarse directamente de inmediato a la producción de metales en el mundo real. “Los gráficos producidos a partir del trabajo experimental deberían ser de aplicación general”, dice. “No son solo líneas hipotéticas”.
En el estudio, que se publica en Nature Materials, los investigadores se centraron en comprender la evolución de la estructura de un metal durante un impacto. Sería interesante estudiar otras características, como la evolución de la temperatura alrededor de un sitio de impacto, dicen. “Estamos realizando trabajos en esta dirección ahora”, revela Schuh.
