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(noticias nanowerk) Una nueva clase de materiales metálicos con posibles aplicaciones en turbinas de aviones, reactores nucleares y equipos de exploración espacial pueden soportar temperaturas extremas y resistir fracturas, pero los científicos aún no han entendido por qué. La respuesta puede reducirse al orden de corto alcance del material, o la disposición local de los átomos dentro de un material, según un nuevo estudio codirigido por investigadores de Penn State. Este conocimiento podría conducir a mayores mejoras en el rendimiento mecánico y la tolerancia al daño de estos materiales, dijeron los investigadores, lo que a su vez conduciría a avances en la seguridad y confiabilidad de los sistemas de ingeniería de próxima generación para el transporte o las centrales eléctricas.
Sus resultados fueron publicados en comunicación de la naturaleza (“La conicidad como origen de defectos planos en la aleación CrCoNi de entropía media”).
El equipo desarrolló un nuevo método de obtención de imágenes para estudiar la disposición atómica local de los materiales metálicos, llamados aleaciones de alta y media entropía (HEA/MEA), y centró su estudio específicamente en el MEA del cromo-cobalto-níquel (CrCoNi) y sus efectos. sobre el rendimiento mecánico.
«El rendimiento mecánico del CrCoNi es asombroso», dijo el coautor Yang Yang, profesor asistente de ingeniería, mecánica e ingeniería nuclear en la Universidad Penn State, que también está afiliado al Instituto de Investigación de Materiales. “Por ejemplo, recientemente se demostró que tiene la mayor dureza de la Tierra a casi -423 grados Fahrenheit. Pero la gente no sabía por qué era tan bueno”.
Algunos científicos, dijo Yang, sospechaban que el orden de corto alcance era el responsable.
«Pero debido a que el orden de corto alcance en los materiales es tan pequeño y sutil, es muy difícil observarlo o medirlo para proporcionar evidencia experimental», dijo el coautor Andrew M. Minor, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Nueva York. Universidad York de California Berkeley (UC Berkeley) y Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL).
CrCoNi consta de tres componentes: cromo, cobalto y níquel. Cada elemento tiene la misma proporción de átomos dentro de la aleación, y los primeros estudios asumieron que cada uno de los tres tipos de átomos estaba distribuido aleatoriamente dentro del sistema, dijo Yang. Sin embargo, Yang dijo que estudios recientes muestran que el material efectivamente exhibe un orden de corto alcance.
«Imaginemos que hay una fiesta con gente de Penn State, Ohio State y North Carolina State», dijo Yang. “E idealmente, se esperaría que todos se mezclaran a la perfección y crearan una mezcla consistente de personas en toda la sala. Sin embargo, en la práctica este no es siempre el caso. A menudo, las personas de la misma universidad tienden a sentirse atraídas entre sí debido a experiencias compartidas. Se trata de un tipo de orden de corto plazo que se desvía de la distribución aleatoria esperada”.
Para investigar el papel del orden de corto alcance en CrCoNi, el equipo diseñó un experimento utilizando un sistema de microscopía electrónica de transmisión de barrido 4D con filtrado de energía (4D-STEM). En un experimento STEM 4D, un haz de electrones a nanoescala escanea la muestra y produce un patrón de difracción de electrones de nanohaz para cada punto. Según Minor, pudieron capturar cientos de imágenes de difracción de electrones cada segundo, lo que les permitió analizar la evolución de los defectos de los materiales bajo tensión con un gran campo de visión y alta resolución.
«Los defectos surgen durante el proceso de deformación mecánica, y de hecho descubrimos que hay una transición en la formación de un defecto», dijo Minor, señalando que se centraron específicamente en los defectos planos, o las «fallas» en la secuencia de apilamiento de átomos planos. . “Descubrimos que el defecto plano es completamente reversible durante los primeros ciclos. Si lo deformamos y luego soltamos la fuerza, se recuperará por completo. Sin embargo, después de unos mil ciclos de deformación mecánica, esta reversibilidad desaparece. En este punto, el defecto tiende a persistir después de que liberamos la carga. Y esta transición, en nuestra opinión, en realidad está determinada por el orden de corto plazo de este sistema”.
Yang dijo que esto se debe a que el sistema inicialmente tiene un gran orden de corto alcance, lo que favorece los procesos reversibles. Sin embargo, la deformación destruye gradualmente este pequeño orden, y esto reajusta el mecanismo de deformación a otro mecanismo que favorece la formación de un defecto plano.
«La orden de corta distancia es como un moderador», dijo Yang. “La densidad local, o su grado, controla qué mecanismo funciona y cuál no. La sinergia de diferentes mecanismos de deformación es crucial para la alta tolerancia al daño de esta clase de material”.
Al implementar con éxito una técnica para visualizar la evolución de los defectos planos en CrCoNi e integrar modelos atomísticos avanzados, los investigadores pudieron descubrir la interacción entre el orden de corto alcance y los defectos planos, lo que podría mejorar el rendimiento mecánico de estas aleaciones.
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