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¿Inventar nuevas aleaciones metálicas? Ahora es mucho mas simple

El número de posibles aleaciones metálicas es astronómico, pero los científicos han desarrollado un modelo teórico para determinar la resistencia de millones de aleaciones diferentes a las altas temperaturas.

¿Inventar nuevas aleaciones metálicas? Ahora es mucho mas simple

El sueño inconfesado de todo experto metalúrgico es poder encontrar una nueva aleación de metal con propiedades desconocidas hasta ahora. Tal vez como sucedió con el hierro que, con la adición de un poco de carbono, cambió para siempre la historia de nuestra sociedad.

Sin embargo, encontrar nuevas aleaciones metálicas utilizables no es nada fácil ya que el número de aleaciones posibles es astronómico ya que el comportamiento a escala atómica afecta las propiedades del material.

Un número desproporcionado de aleaciones teóricamente posibles

Por ello, en la Universidad de Groningen (Holanda) desarrollaron un modelo teórico para determinar rápidamente la resistencia de millones de aleaciones diferentes a las altas temperaturas. Los experimentos confirmaron las predicciones del modelo.

En este caso se trata de aleaciones de alta entropía (HEA), formadas por cinco o más elementos que pueden tener todo tipo de propiedades útiles. ¿Pero el problema es cómo encontrar el mejor?

Hay unos cuarenta elementos metálicos que no son radiactivos ni tóxicos y, por tanto, son adecuados para su uso en aleaciones. Esto nos da aproximadamente 10^78 (10 alto 78) composiciones diferentes, lo que hace que sea virtualmente imposible probar un número significativo de estas simplemente haciéndolas.

Por lo tanto, los investigadores querían una buena teoría para describir las propiedades de los HEA. Una de estas propiedades es la resistencia a las altas temperaturas, fundamental en diversas aplicaciones, desde motores de turbina hasta centrales nucleares. La resistencia de una aleación depende en gran medida de los defectos en la estructura cristalina y los cristales perfectos son los más fuertes. Desafortunadamente, los cristales perfectos no existen en materiales de la vida real.

Se cree que un determinante importante de la resistencia a altas temperaturas en las aleaciones cúbicas centradas en el cuerpo es una dislocación de tornillo, una dislocación en la estructura reticular de un cristal en el que los átomos se reorganizan en un patrón helicoidal.

Un defecto en la estructura cristalina que es fácil de modelar.

Otro tipo de defecto es la dislocación del borde, donde se inserta un plano atómico adicional en una parte de la estructura cristalina. Hasta ahora se creía que estas dislocaciones no tenían ningún efecto sobre la resistencia a las altas temperaturas, pero los científicos de la Universidad de Groningen han descubierto que pueden determinar la resistencia en aleaciones complejas, con la ventaja de que las dislocaciones de los bordes son mucho más fáciles de modelar con respecto a dislocación del tornillo.

Por lo tanto, los investigadores crearon un modelo a escala atómica para esta dislocación en los HEA, que luego se tradujo a un script MATLAB que podía predecir la resistencia a escala de ingeniería de millones de aleaciones diferentes a altas temperaturas en minutos.

Los resultados se pueden utilizar para crear aleaciones metálicas con nuevas propiedades o para encontrar composiciones alternativas cuando un elemento en una aleación se vuelve escaso. El modelo parece funcionar muy bien, ya que se han creado 2 aleaciones diferentes diseñadas con un límite elástico específico.

Los resultados del estudio se publicaron este mes en Nature Communications.

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