Aleaciones experimentales resisten la fractura a -253 grados Celsius
Las aleaciones de niobio y titanio reorganizan sus estructuras cristalinas internas para absorber tensiones en condiciones criogénicas extremas.
Por Letizia Giugliano
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Dos aleaciones experimentales de niobio y titanio se mantienen flexibles y resisten el agrietamiento a -253 °C, según una investigación publicada el 14 de octubre en Nature. Un equipo internacional de investigación liderado por la Universidad de California, Berkeley, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y la Universidad de Oxford descubrió que los metales se reorganizan internamente bajo tensión mecánica. Esta innovación metalúrgica altera la forma en que podrían diseñarse materiales para el frío extremo en sistemas energéticos y en la exploración espacial.
Por qué el frío extremo bloquea los cristales cúbicos centrados en el cuerpo
Los metales cúbicos centrados en el cuerpo, como el hierro, el tungsteno y el cromo, tienden a volverse frágiles cuando las temperaturas caen en picado, lo que supone un desafío persistente para la innovación metalúrgica. En condiciones ambientales, estos materiales se adaptan a las cargas mecánicas mediante el movimiento de diminutas imperfecciones de la red llamadas dislocaciones, según explica ScienceDaily. Las capas atómicas se deslizan unas sobre otras a lo largo de estos defectos, distribuyendo la fuerza y evitando que las fracturas se propaguen. Al bajar la temperatura, el movimiento de las dislocaciones se congela. Como el cristal no puede cambiar de forma alrededor de las zonas de alta tensión, los pequeños defectos superficiales se propagan rápidamente hasta convertirse en roturas estructurales completas.
«Lo que nos sorprendió es que estas aleaciones siguen siendo notablemente tolerantes al daño incluso a 20 kelvin».
— Profesor Dong Liu, Departamento de Ciencias de la Ingeniería, Universidad de Oxford
El maclado a escala nanométrica genera vías alternativas para la tensión
Las dos aleaciones de prueba compuestas de niobio y titanio evitaron este patrón de fallo hasta los 20 kelvin, es decir, -253 °C (-424 °F). En lugar de depender de la deformación convencional, los materiales inician un proceso llamado maclado a escala nanométrica, en el que microrregiones dentro del cristal se reflejan entre sí, según la Universidad de Oxford. Esta reorganización se produce junto con una transformación local de fase cristalina. Cuando estas zonas cristalinas reorientadas chocan con bordes de grano vecinos, generan picos de tensión localizados que desencadenan dislocaciones completamente nuevas, lo que permite al metal absorber cargas mecánicas elevadas en lugar de agrietarse.
Repensar la metalurgia criogénica para la aeroespacial y la energía
El estudio cambia las teorías metalúrgicas existentes que miden la tenacidad a baja temperatura únicamente por cómo se mueven los defectos existentes. La generación de nuevas dislocaciones en las interfaces estructurales proporciona un mecanismo novedoso para preservar la ductilidad, como observaron el investigador de ingeniería de Oxford Dong Liu y el autor principal David Cook en ScienceDaily. Esta invención estructural proporciona a los ingenieros parámetros de diseño para componentes que afrontan fluctuaciones térmicas severas en la ingeniería aeroespacial, la exploración espacial y los sistemas de combustible criogénico, y podría orientar futuras solicitudes de patente para materiales extremos.
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