Imagen: Cortesía de los investigadores.

Los metales se ablandan cuando se calientan, así es como los herreros pueden darle formas complejas al hierro calentándolo al rojo vivo. Y cualquiera que compare un alambre de cobre con una percha de acero se dará cuenta rápidamente de que el cobre es mucho más flexible que el acero.

Pero los científicos del MIT han descubierto que cuando un objeto que se mueve a una velocidad súper alta golpea un metal, sucede lo contrario: cuanto más caliente está el metal, más fuerte es. En esas condiciones, que ejercen una tensión extrema sobre el metal, el cobre puede ser tan resistente como el acero. El nuevo descubrimiento podría conducir a nuevos enfoques para el diseño de materiales para entornos extremos, como escudos que protejan naves espaciales o aviones hipersónicos, o equipos para procesos de fabricación de alta velocidad

Los hallazgos se describen en un artículo que aparece hoy en la revista Nature , por Ian Dowding, un estudiante graduado del MIT, y Christopher Schuh, ex jefe del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT, ahora decano de ingeniería de la Universidad Northwestern y profesor visitante en el MIT. .

El nuevo hallazgo, escriben los autores, "es contradictorio y contradice décadas de estudios en condiciones menos extremas". Los resultados inesperados podrían afectar una variedad de aplicaciones porque las velocidades extremas involucradas en estos impactos ocurren rutinariamente en impactos de meteoritos en naves espaciales en órbita y en operaciones de mecanizado de alta velocidad utilizadas en procesos de fabricación, pulido con chorro de arena y algunos procesos de fabricación aditiva (impresión 3D).

Los experimentos que utilizaron los investigadores para encontrar este efecto implicaron disparar pequeñas partículas de zafiro, de sólo una millonésima de metro de ancho, a láminas planas de metal. Impulsadas por rayos láser, las partículas alcanzaron altas velocidades, del orden de unos pocos cientos de metros por segundo. Mientras que otros investigadores han realizado ocasionalmente experimentos a velocidades similares, han tendido a utilizar impactadores más grandes, en la escala de centímetros o más. Debido a que estos impactos más grandes estuvieron dominados por los efectos del impacto, no había forma de separar los efectos mecánicos y térmicos.

Las pequeñas partículas del nuevo estudio no crean una onda de presión significativa cuando alcanzan el objetivo. Pero ha sido necesaria una década de investigación en el MIT para desarrollar métodos para propulsar partículas tan microscópicas a velocidades tan altas. "Hemos aprovechado eso", dice Schuh, junto con otras técnicas nuevas para observar el impacto a alta velocidad en sí.

El equipo utilizó cámaras de velocidad extremadamente alta “para observar las partículas a medida que entraban y se alejaban”, dice. A medida que las partículas rebotan en la superficie, la diferencia entre las velocidades de entrada y salida "dice cuánta energía se depositó" en el objetivo, lo que es un indicador de la resistencia de la superficie.

Tres fotografías muestran una partícula rebotando en una superficie. La partícula rebota más alto cuando aumenta la temperatura. Estas tres imágenes están etiquetadas como "20 °C, 100 °C y 177 °C". MIT.

El equipo utilizó cámaras de altísima velocidad para rastrear partículas. Esta secuencia, a partir de datos de investigación, muestra una partícula volando y rebotando en una superficie. MIT.

Las diminutas partículas que utilizaron estaban hechas de alúmina o zafiro y son "muy duras", dice Dowding. Con un diámetro de 10 a 20 micrones (millonésimas de metro), representan entre una décima y una quinta parte del grosor de un cabello humano. Cuando la plataforma de lanzamiento detrás de esas partículas es alcanzada por un rayo láser, parte del material se vaporiza, creando un chorro de vapor que impulsa la partícula en la dirección opuesta.

Los investigadores dispararon las partículas a muestras de cobre, titanio y oro, y esperan que sus resultados se apliquen también a otros metales. Dicen que sus datos proporcionan la primera evidencia experimental directa de este efecto térmico anómalo de mayor resistencia con mayor calor, aunque antes se habían informado indicios de tal efecto.

Según el análisis de los investigadores, el efecto sorprendente parece ser el resultado de la forma en que los conjuntos ordenados de átomos que componen la estructura cristalina de los metales se mueven en diferentes condiciones. Muestran que hay tres efectos separados que gobiernan cómo el metal se deforma bajo tensión, y si bien dos de ellos siguen la trayectoria prevista de deformación creciente a temperaturas más altas, es el tercer efecto, llamado fortalecimiento por arrastre, el que invierte su efecto cuando la velocidad de deformación cruza. un cierto umbral.

Más allá de este punto de cruce, la temperatura más alta aumenta la actividad de los fonones (ondas de sonido o calor) dentro del material, y estos fonones interactúan con las dislocaciones en la red cristalina de una manera que limita su capacidad para deslizarse y deformarse. El efecto aumenta con el aumento de la velocidad del impacto y la temperatura, dice Dowding, de modo que "cuanto más rápido vas, menos capaces de responder las dislocaciones".

Por supuesto, en algún momento el aumento de temperatura comenzará a derretir el metal, y en ese momento el efecto se revertirá nuevamente y conducirá al ablandamiento. "Habrá un límite" para este efecto fortalecedor, dice Dowding, "pero no sabemos cuál es".

Los hallazgos podrían llevar a diferentes elecciones de materiales al diseñar dispositivos que puedan enfrentar tensiones tan extremas, dice Schuh. Por ejemplo, los metales que normalmente pueden ser mucho más débiles, pero que son menos costosos o más fáciles de procesar, podrían ser útiles en situaciones en las que a nadie se le habría ocurrido utilizarlos antes.

Las condiciones extremas que estudiaron los investigadores no se limitan a las naves espaciales ni a los métodos de fabricación extremos. "Si vuelas un helicóptero en una tormenta de arena, muchas de estas partículas de arena alcanzarán altas velocidades al golpear las aspas", dice Dowding, y en condiciones desérticas pueden alcanzar altas temperaturas donde se activan estos efectos de endurecimiento.

Las técnicas que utilizaron los investigadores para descubrir este fenómeno podrían aplicarse a una variedad de otros materiales y situaciones, incluidos otros metales y aleaciones. Diseñar materiales para ser utilizados en condiciones extremas simplemente extrapolando propiedades conocidas en condiciones menos extremas podría llevar a expectativas seriamente equivocadas sobre cómo se comportarán los materiales bajo tensiones extremas, afirman.

La investigación fue apoyada por el Departamento de Energía de EE. UU.

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