Bajo impactos extremos, los metales se vuelven más fuertes con el calor
Científicos del MIT han visto que cuando los metales se deforman en extremo por un objeto que se mueve a altas velocidades, las altas temperaturas hacen que el metal sea más fuerte, no más débil.
Este hallazgo inesperado podría ser importante para el diseño de blindajes de naves espaciales, aviones hipersónicos o en aplicaciones de mecanizado de alta velocidad.
Los hallazgos se describen en un artículo que aparece 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.
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 microscópicas a velocidades tan altas. "Hemos aprovechado eso", dice Schuh en un comunicado, junto con otras técnicas nuevas para observar el impacto de 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.
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.
Primera observación directa de este efecto anómalo
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.
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