Equilibrar el balancín: mejorar simultáneamente la resistencia y el alargamiento en materiales metálicos

De la misma manera que un lado de un balancín sube mientras el otro baja, en el ámbito de los materiales metálicos, la «resistencia» y la «elongación» suelen estar en conflicto entre sí. Sin embargo, un equipo colaborativo de POSTECH y la Universidad Northwestern ha presentado recientemente una tecnología innovadora que mejora ambas propiedades.

Un equipo de investigación, formado por el profesor Hyoung Seop Kim del Instituto de Posgrado de Tecnología de Materiales Ferrosos y Ecológicos y el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, el profesor Yoon–Uk Heo del Instituto de Posgrado de Tecnología de Materiales Ferrosos y Ecológicos y la candidata a doctorado Hyojin Park del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de POSTECH, colaboró ​​con el Dr. Farahnaz Haftlang del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad Northwestern.

Juntos han abordado un problema que se plantea desde hace mucho tiempo en la investigación de metales: el equilibrio entre resistencia y elongación. Su gran avance consiste en diseñar una aleación que ofrece tanto alta resistencia como alta elongación.

El estudio es publicado En el diario Comunicaciones de la naturaleza.

El límite elástico es la tensión mínima a la que un material, como el metal, comienza a deformarse. Para mejorar la durabilidad y la seguridad estructural de un material, se debe aumentar su límite elástico, normalmente reforzando su microestructura con «precipitados», pequeñas partículas incrustadas en el metal. Sin embargo, en este proceso, el precipitado suele tener una estructura diferente a la del metal base, lo que provoca una reducción de la elongación a medida que aumenta la resistencia. Esta disyuntiva entre «resistencia» y «elongación» ha dificultado tradicionalmente la mejora de ambas propiedades simultáneamente.

El equipo del profesor Hyoung Seop Kim de POSTECH ha introducido un nuevo método para abordar este problema, conocido como «descomposición espinodal». Este proceso implica la separación espontánea de una solución sólida en dos fases distintas, lo que da como resultado estructuras a escala nanométrica con átomos dispuestos de manera regular.

En este estudio, se añadieron cobre (Cu) y aluminio (Al) a una aleación de hierro de entropía media para desencadenar la descomposición espinodal periódica a escala nanométrica. Este proceso produjo un endurecimiento espinodal, un fenómeno que mejora la resistencia a la deformación estructural. En consecuencia, la microestructura resultante aumenta la resistencia del material. La microestructura resultante, con sus características dispuestas uniformemente, distribuye eficazmente la tensión por todo el material. Esta distribución ayuda a minimizar la deformación localizada, aumentando así la resistencia general y preservando la elongación.

Los experimentos revelaron que las aleaciones producidas con el método del equipo demostraron una integridad estructural superior en comparación con las aleaciones tradicionales, logrando una resistencia a la fluencia de 1,1 GPa (gigapascales). Esto representa una mejora del 187 % con respecto a la aleación sin descomposición espinodal. Sorprendentemente, incluso con esta mayor resistencia a la fluencia, la aleación mantuvo casi el mismo alargamiento (28,5 %) que antes. Este avance permite mejorar tanto la resistencia como el alargamiento.

El profesor Hyoung Seop Kim de POSTECH comentó: «Hemos explorado las propiedades mecánicas de las estructuras espinodales en aleaciones con composiciones complejas. Nuestra tecnología de aleación de alta resistencia y alta elongación tiene el potencial de mejorar los productos en diversas industrias, incluidas la aeroespacial, la automotriz, la energética y la electrónica, al hacerlos más livianos y duraderos».