Super acero: crean un prototipo con propiedades metálicas de alto rendimiento

Un super acero producido usando el nuevo método D&P (Deformed and partitioned) por la Universidad de Hong Kong ha demostrado un nivel nunca antes observado de resistencia a la fractura, resistencia y ductilidad para aplicaciones industriales avanzadas.

El acero es una aleación común. Los científicos e ingenieros de materiales buscan continuamente desarrollar materiales de acero de nueva generación que sean más fáciles de extender y alargar (ductilidad) en diferentes formas y estructuras, mayor resistencia a la deformación (resistencia) y fractura (tenacidad), peso ligero y bajo coste de producción.

La tarea ha sido difícil. La opinión convencional es que aumentar el rendimiento de una propiedad metálica, ya sea en resistencia, ductilidad o tenacidad, socavará una o más de las otras. Por ejemplo, un aumento en la resistencia inevitablemente hará que el metal sea más frágil (conocido como el equilibrio entre resistencia y tenacidad); o menos flexible para extenderse o alargarse en diferentes formas. (equilibrio entre ductilidad y resistencia).

"En este último avance en acero super D&P, logramos una combinación de resistencia y tenacidad sin precedentes que puede abordar un desafío importante en aplicaciones industriales críticas para la seguridad: lograr una tenacidad a la fractura extremadamente alta para evitar una fractura prematura catastrófica de materiales estructurales. El avance también cambia la visión convencional de que alcanzar una alta resistencia será a expensas del deterioro de la tenacidad, lo que invariablemente conduce a la fragilidad de los materiales estructurales y limita en gran medida su aplicación", dijo en un comunicado el profesor Huang Mingxin, del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Hong Kong (HKU), e investigador principal del proyecto.

Anteriormente, el equipo había aumentado significativamente el rendimiento de resistencia y ductilidad del acero D&P por lo tanto, el acero súper D&P alcanza un excelente rendimiento en las tres propiedades metálicas a un alto nivel sin precedentes que ningún material de acero había alcanzado antes.

Se han presentado varias patentes en Estados Unidos y China. El equipo se ha puesto en contacto con socios industriales para generar prototipos de cable de puente de alta resistencia, chaleco antibalas y chasis de automóvil con el super acero para realizar más pruebas y ensayos. El último avance en el acero D&P, realizado en colaboración con el equipo de investigación del profesor Robert O. Ritchie en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL) y la UC Berkeley, da como resultado que el acero tenga un límite elástico contra la deformación de alrededor de 2GPa, una tenacidad de fractura superior de 102MPam 1/2 y un buen alargamiento uniforme del 19%.

El equipo también ha realizado un importante descubrimiento científico en la estructura del acero super D&P. Esta aleación tiene una característica de fractura única en la que se forman múltiples microgrietas debajo de la superficie de fractura principal, a través de un novedoso mecanismo de endurecimiento de "multi-delaminación inducida de alta resistencia". Estas microfisuras pueden absorber eficazmente la energía de fuerzas aplicadas externamente, lo que da como resultado una resistencia a la tenacidad mucho mayor del acero en comparación con los materiales de acero existentes.

Actualmente, el acero de alta resistencia para cables de puente tiene un límite elástico inferior a 1.7 GPa, y una tenacidad a la fractura inferior a 65 MPam 1/2; El acero blindado de alta resistencia utilizado en vehículos blindados tiene una combinación similar de resistencia máxima y tenacidad. El nivel de dureza que puede alcanzar el acero D&P es, por lo tanto, mucho más alto que el de los materiales de acero existentes, al tiempo que mantiene una resistencia súper fuerte.

El alambre de piano de acero, por ejemplo, tiene una resistencia ultra alta que varía de 2.6 a 2.9 GPa para resistir la deformación y mantener el instrumento afinado, lo que se logra a expensas de la tenacidad y, a su vez, es muy frágil.

Mientras tanto, el costo de las materias primas del acero D&P es solo el 20% del acero utilizado actualmente en el sector aeroespacial (por ejemplo, Grado 300, cuya resistencia a la fluencia y tenacidad de inicio de fractura son 1.8 GPa y 70 MPam 1/2, respectivamente.

"Hemos dado un gran paso para industrializar el novedoso super acero. Demuestra un gran potencial para ser utilizado en diversas aplicaciones, incluidos chalecos antibalas superiores, cables de puente, automóviles ligeros y vehículos militares, aeroespaciales y pernos y tuercas de alta resistencia en el industria de construccion", añadió el profesor Huang.

Los hallazgos se publicaron en Science el 8 de mayo de 2020 en el documento titulado "Making Ultrastrong Steel Tough by Grain-Boundary Delamination".