Un estudio pionero descubrió que los metales se vuelven más fuertes cuando están calientes


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En la herrería, los metales se calientan para molerlos y estirarlos en otras formas más complejas. Esto funciona porque los metales se vuelven más blandos y maleables cuando están calientes.

Pero esta supuesta física básica puede no ser toda la historia.

En un nuevo estudio, investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) descubrieron que ocurre lo contrario cuando un proyectil que se mueve rápidamente golpea un metal: cuanto más caliente está el metal, más fuerte es al impactar. Si se calienta a temperaturas suficientemente altas, este efecto es tan fuerte que el cobre, normalmente un metal muy blando, puede volverse tan fuerte como el acero.

Los resultados del estudio, publicado en naturalezaLos investigadores dicen que esto podría conducir a nuevos enfoques para diseñar materiales para entornos hostiles. Esto podría incluir nuevos blindajes para proteger naves espaciales o aviones hipersónicos, así como equipos avanzados para procesos de fabricación de alta velocidad.

Los metales calientes resisten el impacto

En sus nuevos experimentos, los investigadores del MIT utilizaron energía láser para disparar pequeñas astillas de zafiro (de sólo 10 a 20 micrones de ancho) sobre láminas metálicas planas. Utilizando cámaras de alta velocidad, el equipo pudo estudiar el comportamiento de las moléculas cuando chocan y rebotan en superficies metálicas.

Al medir el cambio en las velocidades entre el acercamiento de las partículas y el posterior rebote en las superficies metálicas, los investigadores pudieron calcular cuánta energía se transfirió a los objetivos metálicos, lo que es un buen indicador de la resistencia de la superficie. Al optar por disparar partículas muy pequeñas al metal, los investigadores también pudieron eliminar cualquier complicación causada por grandes ondas de choque de presión.

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En el estudio se utilizaron tres placas de metal diferentes (cobre, titanio y oro) que fueron sensibilizadas a temperatura ambiente, 100°C y 177°C. Los investigadores descubrieron que a medida que aumentaban las temperaturas de prueba, las partículas de rubí comenzaban a rebotar con más fuerza, lo que indica que la resistencia superficial de los minerales aumentaba a medida que aumentaban las temperaturas.

Según los investigadores, esta es la primera evidencia experimental directa de este efecto térmico contrario a la intuición.

¿Por qué las condiciones extremas aumentan la resistencia del metal?

Este inusual efecto térmico probablemente se deba a la forma en que las filas organizadas de átomos dentro de la estructura cristalina del metal se comportan bajo presión.

Hay tres efectos principales que controlan cómo se deforman los metales bajo presión. Los dos primeros –térmico y térmico– son de menos importancia aquí, ya que siguen la relación tradicional donde la deformación aumenta a temperaturas más altas. Pero un tercer factor, conocido como fortalecimiento de la resistencia al arrastre, parece desviarse de esto cuando la tasa de deformación excede un cierto umbral, en este caso causado por una colisión a alta velocidad con una partícula muy pequeña.

Más allá de esta unión, la alta temperatura aumenta la actividad de los fonones (una cuasipartícula asociada con vibraciones en la red cristalina) dentro del metal. Estos fonones pueden interactuar con perturbaciones en la red cristalina del mineral, limitando su movilidad y provocando distorsión. «Cuanto más rápido te mueves, menos turbulencias pueden responder». Él dijo Ian Dowdingestudiante de posgrado en el MIT y primer autor del estudio.

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Los investigadores saben que debe haber un límite de temperatura superior para este efecto, pero aún se desconoce dónde ocurre esto antes del punto de fusión del metal.

Dicen que mejorar nuestro conocimiento sobre cómo funciona este efecto podría ser muy importante a la hora de diseñar nuevas piezas y dispositivos que probablemente estén expuestos a condiciones duras.

«Si estuvieras volando un helicóptero en una tormenta de arena, muchas de estas partículas de arena alcanzarían altas velocidades cuando golpearan las aspas», dice Dowding, señalando que las temperaturas del desierto profundo pueden ser lo suficientemente altas como para desencadenar este extraño comportamiento de mejora de la resistencia.

Si bien este fenómeno podría ser de interés para el desarrollo de nuevas innovaciones técnicas relacionadas con las piezas metálicas, los investigadores también lo ven como una señal de que otros comportamientos materiales aparentemente “obvios” deben estudiarse más de cerca en condiciones extremas. Si estas propiedades se extrapolan simplemente a partir de lo que sabemos actualmente, advierten, esto podría conducir a predicciones muy erróneas sobre cómo se comportarán las piezas y los materiales bajo tensiones extremas.

referencia: Dowding I, Schuh ca. Los metales se fortalecen al aumentar la temperatura a velocidades de deformación extremas. naturaleza. 2024:1-5. doi: 10.1038/s41586-024-07420-1

Este artículo es una paráfrasis de presione soltar Publicado por el Instituto de Tecnología de Massachusetts. El material ha sido editado en cuanto a extensión y contenido.

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