Una aleación que no se agrieta a temperaturas extremas a nivel atómico

Un mapa de la estructura cristalina de la aleación elaborado con difracción de retrodispersión de electrones en un microscopio electrónico de barrido. - BERKELEY LAB

   MADRID, 22 Abr. (EUROPA PRESS) -

   Una aleación de metal compuesta de niobio, tantalio, titanio y hafnio ha sorprendido a los científicos de materiales con su impresionante resistencia a termperaturas extremas calientes y frías.

   En este contexto, la resistencia se define como cuánta fuerza puede soportar un material antes de que se deforme permanentemente de su forma original, y la tenacidad es su resistencia a la fractura (agrietamiento). La resistencia de la aleación a la flexión y la fractura en una enorme variedad de condiciones podría abrir la puerta a una nueva clase de materiales para motores de próxima generación que puedan funcionar con mayor eficiencia.

   El equipo, dirigido por Robert Ritchie en Berkeley Lab, descubrió las sorprendentes propiedades de la aleación y, en segunda instancia, cómo surgen de interacciones en la estructura atómica. Su trabajo se describe en un estudio publicado en Science.

   "La eficiencia de convertir calor en electricidad o empuje está determinada por la temperatura a la que se quema el combustible; cuanto más caliente, mejor. Sin embargo, la temperatura de funcionamiento está limitada por los materiales estructurales que deben soportarla", dijo en un comunicado el primer autor, David Cook. un estudiante de doctorado en el laboratorio de Ritchie. "Hemos agotado la capacidad de optimizar aún más los materiales que utilizamos actualmente a altas temperaturas y existe una gran necesidad de nuevos materiales metálicos. Esto es lo que promete esta aleación".

   La aleación de este estudio proviene de una nueva clase de metales conocida como aleaciones refractarias de entropía media o alta (RHEA/RMEA). La mayoría de los metales que vemos en aplicaciones comerciales o industriales son aleaciones hechas de un metal principal mezclado con pequeñas cantidades de otros elementos, pero los RHEA y los RMEA se obtienen mezclando cantidades casi iguales de elementos metálicos con temperaturas de fusión muy altas, lo que les da propiedades únicas que los científicos aún están desentrañando.

   El grupo de Ritchie ha estado investigando estas aleaciones durante varios años debido a su potencial para aplicaciones de alta temperatura.

   "Nuestro equipo ha realizado trabajos previos sobre RHEA y RMEA, y hemos descubierto que estos materiales son muy fuertes pero generalmente poseen una tenacidad a la fractura extremadamente baja, razón por la cual nos sorprendió cuando esta aleación mostró una tenacidad excepcionalmente alta", dijo el coautor Punit Kumar, investigador postdoctoral del grupo.

   Según Cook, la mayoría de los RMEA tienen una tenacidad a la fractura inferior a 10 MPavm, lo que los convierte en algunos de los metales más frágiles jamás registrados. Los mejores aceros criogénicos, especialmente diseñados para resistir la fractura, son aproximadamente 20 veces más resistentes que estos materiales. Sin embargo, la aleación RMEA de niobio, tantalio, titanio y hafnio (Nb45Ta25Ti15Hf15) fue capaz de superar incluso al acero criogénico, siendo 25 veces más resistente que las RMEA típicas a temperatura ambiente.

   Pero los motores no funcionan a temperatura ambiente. Los científicos evaluaron la resistencia y la tenacidad a cinco temperaturas en total: -196°C (la temperatura del nitrógeno líquido), 25°C (temperatura ambiente), 800°C, 950°C y 1200°C. La última temperatura es aproximadamente 1/5 de la temperatura de la superficie del sol.

   El equipo descubrió que la aleación tenía la mayor resistencia en el frío y se debilitaba ligeramente a medida que aumentaba la temperatura, pero aún así contaba con cifras impresionantes en todo el amplio rango. La tenacidad a la fractura, que se calcula a partir de la fuerza que se necesita para propagar una grieta existente en un material, fue alta en todas las temperaturas.

   Los datos de microscopía electrónica revelaron que la inusual dureza de la aleación proviene de un efecto secundario inesperado de un defecto raro llamado banda torcida. Las bandas retorcidas se forman en un cristal cuando una fuerza aplicada hace que las tiras del cristal colapsen sobre sí mismas y se doblen abruptamente.

   La dirección en la que se dobla el cristal en estas tiras aumenta la fuerza que sienten las dislocaciones, haciendo que se muevan con mayor facilidad. A nivel global, este fenómeno hace que el material se ablande (lo que significa que se debe aplicar menos fuerza al material a medida que se deforma).

   El equipo sabía por investigaciones anteriores que las bandas de torsión se formaban fácilmente en los RMEA, pero supusieron que el efecto de ablandamiento haría que el material fuera menos resistente al facilitar que una grieta se extendiera a través de la red. Pero en realidad, este no es el caso.

   "Demostramos, por primera vez, que en presencia de una grieta aguda entre átomos, las bandas retorcidas en realidad resisten la propagación de una grieta distribuyendo el daño lejos de ella, previniendo la fractura y conduciendo a una tenacidad a la fractura extraordinariamente alta", dijo Cook.