Este estudio indica que el nuevo metal tiene potencial para construir los motores del futuro
Una excéntrica aleación irrompible tiene propiedades “imposibles”
(y habría salvado el Titanic)
Laboratorio de Berkeley
24 DE ABRIL DE 202423
Mapa de la estructura cristalina de la aleación. Cada color representa una sección del cristal donde la estructura repetida cambia su orientación 3D.
Un equipo de investigadores ha descubierto una extraordinaria aleación de metal que no se fractura a temperaturas extremas debido a la flexión de los cristales de la aleación a nivel atómico.
Una aleación metálica compuesta de niobio, tantalio, titanio y hafnio ha sorprendido a los científicos de materiales por su impresionante resistencia y dureza a temperaturas extremadamente frías y calientes.
La combinación de propiedades de la nueva aleación tiene propiedades que hasta ahora parecían " casi imposibles de lograr ", dicen los investigadores.
La resistencia de un material se define como la fuerza que puede soportar antes de deformarse permanentemente de su forma original; y la tenacidad es su resistencia a la fractura (agrietamiento).
Una aleación como la descubierta ahora, con resistencia a la flexión y a la fractura en una amplia variedad de condiciones , podría abrir la puerta a una nueva clase de materiales, con aplicaciones, por ejemplo, en motores de próxima generación que puedan funcionar con mayor eficiencia.
El descubrimiento, realizado durante una investigación realizada por un equipo de investigadores dirigido por Robert Ritchie , del Laboratorio Nacional Lawrence Berkele en Estados Unidos, fue presentado en un artículo publicado recientemente en la revista 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 la soportan”, explica David Cook , estudiante de doctorado en el laboratorio de Ritchie y primer autor del artículo, en un comunicado del Berkeley Lab.
“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 liga ”, añade el investigador.
La aleación pertenece a una nueva clase de metales conocida como aleaciones refractarias de entropía alta o media ( 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 elaboran mezclando cantidades casi iguales de elementos metálicos con temperaturas de fusión muy altas , lo que les confiere características únicas. propiedades , que los científicos aún están desentrañando.
"Nuestro equipo trabajó anteriormente en RHEA y RMEA y descubrimos que estos materiales son muy fuertes , pero generalmente tienen una resistencia a la fractura extremadamente baja, razón por la cual nos sorprendió cuando esta aleación mostró una resistencia excepcionalmente alta", explica Punit Kumar , también investigador en Berkeley Lab y coautor del artículo.
La mayoría de los RMEA tienen una tenacidad a la fractura de menos de 10 MPa√m (raíz metro de megapascales), lo que los convierte en algunos de los metales más frágiles jamás registrados. Los mejores aceros criogénicos , especialmente diseñados para resistir la fractura, son alrededor de 20 veces más resistentes que estos materiales.
Sin embargo, la aleación RMEA de niobio, tantalio, titanio y hafnio ( Nb 45 Ta 25 Ti 15 Hf 15 ) pudo 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 dureza a un total de cinco temperaturas: -196°C (la temperatura del nitrógeno líquido), 25°C (temperatura ambiente), 800°C, 950°C y 1200°C. Esta última temperatura corresponde aproximadamente a 1/5 de la temperatura de la superficie del sol .
El equipo descubrió que la aleación tenía la mayor resistencia al frío y se debilitaba ligeramente a medida que aumentaba la temperatura, pero seguía ofreciendo valores impresionantes en todo el rango.
La resistencia a la fractura , que se calcula a partir de la fuerza necesaria para propagar una grieta en un material, fue alta en todas las temperaturas.
Descubrir arreglos atómicos
Casi todas las aleaciones metálicas son cristalinas , lo que significa que los átomos del material están dispuestos en unidades repetidas. Sin embargo, ningún cristal es perfecto, todos contienen defectos .
El defecto más destacado es la llamada “dislocación”, que es un plano inacabado de átomos en el cristal. Cuando se aplica una fuerza a un metal, provoca que muchas dislocaciones se muevan para adaptarse al cambio de forma .
Por ejemplo, cuando se dobla un clip hecho de aluminio, el movimiento de los desplazamientos dentro del clip se adapta al cambio de forma.
Sin embargo, el movimiento de las dislocaciones se vuelve más difícil a temperaturas más bajas y, en consecuencia, muchos materiales se vuelven quebradizos a bajas temperaturas porque las dislocaciones no pueden moverse.
Fue por este motivo que el casco de acero del Titanic se fracturó al chocar contra un iceberg. Los elementos con altas temperaturas de fusión y sus aleaciones llevan esta situación al extremo , y muchos permanecen frágiles incluso a 800°C. Sin embargo, esta RMEA va en contra de la tendencia, resistiendo la ruptura incluso a temperaturas tan bajas como el nitrógeno líquido (-196°C).
“El estudio ha demostrado ahora, por primera vez, que en presencia de una grieta brusca entre átomos, las bandas flexibles resisten eficazmente la propagación de una grieta, distribuyendo el daño lejos de ella, evitando la fractura y generando una resistencia a la fractura extraordinariamente alta . explica David Cook.
La aleación Nb 45 Ta 25 Ti 15 Hf 15 deberá someterse a estudios y pruebas de ingeniería más profundas antes de poder utilizarse en la producción de cualquier dispositivo.
Sin embargo, este estudio indica que el nuevo metal tiene potencial para construir los motores del futuro, y que uno de estos días lo veremos en la turbina de un avión a reacción o en un cohete SpaceX.
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