Past the Breaking Point

Una investigación sorprendente puede ayudar a prevenir daños en las piezas industriales


Los científicos simularon fracturas en materiales amorfos debidas tanto a la fatiga cíclica como a la tensión constante utilizando dinámicas granulares y demostraron varios modos de fallo que pueden ayudar a mejorar la fiabilidad de los materiales. Crédito: Instituto de Ciencias Industriales, Universidad de Tokio

Cuando las piezas industriales se dañan, puede resultar muy caro y provocar retrasos. Además, podría dejar una planta insegura para los trabajadores. Científicos de Japón ahora han simulado la fractura iniciada en materiales que comparten una característica física específica y se usan ampliamente en aplicaciones domésticas, industriales y científicas. Su trabajo mostró resultados sorprendentes que pueden ayudar a prevenir daños en piezas industriales.

Si alguna vez se aburrió en una reunión e intentó jugar con un clip de metal para pasar el tiempo, es posible que haya notado algo sorprendente. Aunque el clip comienza siendo flexible y vuelve a su forma original varias veces, después de suficientes ciclos puede romperse repentinamente. Este es un ejemplo de “fatiga”, en el que se acumulan grietas y defectos cuando un objeto se somete a cargas y descargas cíclicas de tensión.

“Contrariamente a la creencia común, demostramos que la tensión crítica en los materiales desordenados que se corresponde con el inicio de la deformación irreversible es la misma tanto para la fatiga como para las fracturas monótonas”. — yuji kurotani

La fatiga del material es una preocupación importante en muchas aplicaciones industriales. Es especialmente crucial para piezas de máquinas o aviones que experimentan muchos ciclos de estrés, pero cuya falla repentina podría ser catastrófica. Como resultado, obtener una mejor comprensión del proceso subyacente de fatiga del material podría tener beneficios sustanciales, especialmente para los materiales no cristalinos.

Ahora, un grupo de científicos del Instituto de Ciencias Industriales de la Universidad de Tokio, estudió los mecanismos físicos de la fractura por fatiga de ciclo bajo en el caso de sólidos amorfos, como vidrio o plásticos, utilizando simulaciones por computadora. Para materiales cristalinos, se ha demostrado que los defectos preexistentes y los límites de grano pueden iniciar una fractura debido a la fatiga. Sin embargo, el mecanismo correspondiente en materiales amorfos no se comprende bien. Si bien parece intuitivo que la tensión requerida para que ocurra una fractura es mucho menor para las tensiones cíclicas en comparación con la tensión constante, esto no fue lo que encontraron los científicos.

“Contrariamente a la creencia común, demostramos que la tensión crítica en los materiales desordenados que se corresponde con el inicio de la deformación irreversible es la misma tanto para la fatiga como para las fracturas monótonas”, dice el coautor Yuji Kurotani.

Esto se debe a que, para los sistemas amorfos ordinarios, una mayor densidad conduce a una mayor elasticidad y una dinámica más lenta. Esta dependencia de la densidad de las propiedades mecánicas acopla la deformación por cortante con las fluctuaciones de la densidad. El cizallamiento cíclico puede amplificar las fluctuaciones de densidad hasta que la muestra se rompa por cavitación, en la que se producen vacíos.

“Esta situación es como un tren abarrotado”, dice el coautor Hajime Tanaka. “Las asimetrías dinámicas y elásticas con respecto a los cambios de densidad pueden conducir a un vínculo entre la deformación por corte y las fluctuaciones de densidad”.

Según los autores del estudio, estos resultados deberían confirmarse con experimentos, lo que también ayudaría a los científicos de materiales a comprender mejor el inicio de las fracturas.

Referencia: “Mecanismo de fractura por fatiga de materiales amorfos de un modelo de grano grueso basado en la densidad” 11 de octubre de 2022, Materiales de comunicación.
DOI: 10.1038/s43246-022-00293-9

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