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Imágenes generadas por microscopía que muestran la trayectoria de una fractura y la deformación de la estructura cristalina que la acompaña en la aleación CrCoNi a escala nanométrica durante la prueba de tensión a 20 kelvin (-424 F). La fractura se propaga de izquierda a derecha. (Crédito: Robert Ritchie/Berkeley Lab)
Las Aleaciones de Alta Entropía (HEA) son un grupo de metales que incluye un subconjunto de CrCoNi. Las HEA están formadas por una mezcla igual de cada elemento constitutivo, a diferencia de todas las aleaciones actuales, que tienen una alta proporción de un elemento y pequeñas adiciones de otros elementos. Algunos de estos materiales parecen poseer una mezcla increíblemente alta de resistencia y ductilidad bajo tensión, que combinadas constituyen lo que se denomina "tenacidad", gracias a estas composiciones atómicas equilibradas.
Desde que se crearon hace unos 20 años, los HEA han atraído mucha atención científica. Sin embargo, hasta hace poco no se disponía de los equipos necesarios para probarlos hasta el límite absoluto.
En un nuevo estudio, los científicos informan sobre el material más resistente de la Tierra. Científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y del Laboratorio Nacional Oak Ridge han medido la mayor tenacidad jamás registrada de cualquier material al investigar una aleación metálica de cromo, cobalto y níquel (CrCoNi). El metal no sólo es increíblemente fuerte (lo que significa que resiste la deformación permanente) y extremadamente dúctil (lo que, en ciencia de los materiales, significa altamente maleable), sino que además se vuelve más dúctil y fuerte a medida que se enfría. A diferencia de la mayoría de los demás materiales en uso, éste.
Easo George, codirector del proyecto y titular de la Cátedra del Gobernador de Teoría y Desarrollo de Aleaciones Avanzadas del ORNL y la Universidad de Tennessee, afirma: "Cuando se diseñan materiales estructurales, se quiere que sean fuertes pero también dúctiles y resistentes a la fractura. Normalmente, se trata de un compromiso entre estas propiedades. Pero este material tiene ambas, y en lugar de volverse quebradizo a bajas temperaturas, se vuelve más resistente".
El codirector de la investigación, Robert Ritchie, científico titular de la División de Ciencias de los Materiales del Laboratorio de Berkeley y Catedrático Chua de Ingeniería de la UC Berkeley, declaró: "La tenacidad de este material a temperaturas cercanas a las del helio líquido (20 kelvin, -424 Fahrenheit) alcanza los 500 megapascales por metro cuadrado. En las mismas unidades, la dureza de un trozo de silicio es de uno, la de los fuselajes de aluminio de los aviones de pasajeros es de unos 35 y la de algunos de los mejores aceros es de unos 100. Así que 500 es una barbaridad. Así que 500 es una cifra asombrosa".
Los científicos empezaron a experimentar con el CrCoNi y otra aleación que contiene manganeso y hierro (CrMnFeCoNi) hace casi una década. Crearon muestras de las aleaciones, bajaron los materiales a temperaturas de nitrógeno líquido (alrededor de 77 kelvin, o -321 F) y descubrieron una resistencia y dureza impresionantes.
Querían realizar pruebas a temperaturas de helio líquido para confirmar inmediatamente sus hallazgos. Aun así, el equipo tardó los diez años siguientes en encontrar instalaciones que se lo permitieran, así como miembros del equipo que tuvieran la capacidad analítica y la formación necesarias para estudiar el comportamiento del material a nivel atómico.
Los científicos utilizaron difracción de neutrones, difracción de retrodispersión de electrones y microscopía electrónica de transmisión para observar las estructuras reticulares de muestras de CrCoNi fracturadas a temperatura ambiente y 20 K. Las imágenes y los mapas atómicos generados revelaron que la tenacidad de la aleación se debe a un trío de obstáculos de dislocación que entran en acción en un orden determinado cuando se aplica fuerza al material.
Las zonas del cristal que se encuentran en planos paralelos primero se deslizan alejándose unas de otras como resultado del deslizamiento de las dislocaciones. Este movimiento desplaza capas de células unitarias y, como resultado, se crea una forma de obstrucción en la dirección perpendicular al movimiento de deslizamiento. Cuando el metal se somete a más presión, se produce un proceso conocido como nanotwinned en el que partes de la red forman una simetría especular con un límite en el centro. Los átomos de CrCoNi pasan de un cristal cúbico centrado en la cara a otra disposición conocida como empaquetamiento hexagonal apretado si las fuerzas siguen actuando sobre el metal. Esta transformación se produce si las fuerzas siguen actuando sobre el metal.
Estas imágenes, generadas a partir de microscopía electrónica de barrido, muestran las estructuras de grano y las orientaciones de la red cristalina de (A) las aleaciones CrMnFeCoNi y (B) CrCoNi. (C) y (D) muestran ejemplos de fracturas en CrCoNi a 293 K y 20 K, respectivamente. (Crédito: Robert Ritchie/Berkeley Lab)
Según Ritchie, "esta secuencia de interacciones atómicas garantiza que el metal siga fluyendo, pero también encuentra nueva resistencia de obstáculos mucho más allá del punto en que la mayoría de los materiales se rompen por la tensión. Así que, al tirar de él, se pone en marcha el primer mecanismo, y luego el segundo, y luego el tercero, y luego el cuarto".
"Ahora, mucha gente dirá, bueno, hemos visto nanotwinning en materiales normales, hemos visto un deslizamiento en materiales normales. Eso es cierto. No hay nada nuevo en eso, pero es un hecho que todos ocurren en esta secuencia mágica que nos da estas tremendas propiedades."
"Los hallazgos, tomados junto con otros trabajos recientes sobre los HEA, pueden obligar a la comunidad científica de materiales a reconsiderar nociones arraigadas sobre cómo las características físicas dan lugar al rendimiento. Es divertido porque los metalúrgicos dicen que la estructura de un material define sus propiedades, pero la estructura del NiCoCr es la más simple que se pueda imaginar: son sólo granos."
El coautor Andrew Minor, director de las instalaciones del Centro Nacional de Microscopía Electrónica de la Fundición Molecular del Laboratorio de Berkeley y catedrático de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UC Berkeley, afirmó: "Sin embargo, cuando se deforma, la estructura se complica mucho, y este cambio ayuda a explicar su excepcional resistencia a la fractura. Pudimos visualizar esta inesperada transformación gracias al desarrollo de detectores de electrones rápidos en nuestros microscopios electrónicos, que nos permiten discernir entre distintos tipos de cristales y cuantificar los defectos de su interior con una resolución de un solo nanómetro -la anchura de unos pocos átomos-, que resulta ser aproximadamente el tamaño de los defectos de la estructura deformada de NiCoCr."
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