Metales autocurativos

Cuando el estudiante graduado Guoqiang Xu y el profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales Michael Demkowicz, SM '04, PhD '05, vieron el resultado por primera vez, pensaron que debía ser un error. Descubrieron que, bajo ciertas condiciones, poner bajo tensión una pieza de metal agrietada (es decir, ejercer una fuerza que se esperaría que la separara) tenía el efecto inverso, haciendo que la grieta se cerrara y sus bordes se fusionaran. El hallazgo, dicen, podría conducir a materiales autocurativos que reparen el daño incipiente antes de que tenga la oportunidad de propagarse.

Una simulación muestra una pequeña grieta (barra horizontal oscura) que se repara a sí misma cuando el metal se somete a tensión.

Tuvieron que regresar y verificar, dice Demkowicz, cuando en lugar de extenderse, [la grieta] se estaba cerrando. La siguiente pregunta fue: '¿Por qué sucede esto?'

La respuesta resultó estar en la microestructura cristalina de un metal, en este caso el níquel, que es la base de las superaleaciones utilizadas en ambientes extremos como los pozos petroleros de aguas profundas. Al crear un modelo informático de la microestructura del níquel y estudiar su respuesta a diversas condiciones, dice Demkowicz, encontramos que existe un mecanismo que puede, en principio, cerrar grietas bajo cualquier esfuerzo aplicado.

Los metales tienden a estar formados por diminutos granos de cristal, regiones donde los átomos están alineados de forma ordenada con precisión. En los límites entre estos granos, la orientación de ese patrón puede cambiar abruptamente. Según descubrieron Demkowicz y Xu, bajo ciertas condiciones, el estrés hace que la microestructura cambie, lo que hace que los límites de los granos migren, dicen. En efecto, un grano crece mientras que el adyacente se encoge. Esta migración del límite del grano es la clave para curar la grieta, dice Demkowicz.

La autocuración ocurre solo en metales que contienen cierto tipo de límite, explica, uno que se extiende parcialmente a través de un grano pero no completamente. Esto crea un tipo de defecto conocido como disclination.

Estos defectos tienen campos de tensión intensos, que pueden ser tan fuertes que en realidad invierten lo que haría una carga aplicada, dice Demkowicz. Entonces, cuando los dos lados de un material agrietado se separan, en lugar de agrietarse más, puede sanar. El estrés de las disclinaciones está dando lugar a este comportamiento inesperado, dice.

Habiendo descubierto este mecanismo, los investigadores planean estudiar cómo diseñar aleaciones metálicas para que las grietas se cierren y sanen bajo cargas típicas de aplicaciones particulares. Ya existen técnicas para controlar la microestructura de las aleaciones, dice Demkowicz, por lo que es solo una cuestión de averiguar cómo lograr el resultado deseado.

Ese es un campo que estamos abriendo, dice. ¿Cómo se diseña una microestructura para autocurarse? Esto es muy nuevo.

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