Los científicos simularon fracturas en materiales amorfos debido tanto a la tensión cíclica como a la tensión continua utilizando la dinámica de la trayectoria del grano y demostraron diferentes modos de fallo, que pueden ayudar a mejorar la fiabilidad del material. Crédito: Instituto de Ciencias Industriales, Universidad de Tokio

Cuando las piezas industriales se dañan, puede ser costoso y provocar demoras. Además, puede dejar la planta insegura para los trabajadores. Científicos de Japón ahora han simulado la fractura que comenzó en materiales que comparten propiedades físicas específicas y son ampliamente utilizados en aplicaciones domésticas, industriales y científicas. Su trabajo ha mostrado resultados sorprendentes que pueden ayudar a prevenir daños en piezas industriales.

Si alguna vez se aburrió en una reunión y trató de jugar con un clip metálico para pasar el tiempo, probablemente haya notado algo sorprendente. Aunque el clip comienza a flexionarse y vuelve a su forma original varias veces, puede romperse repentinamente después de suficientes ciclos. Este es un ejemplo de ‘fatiga’, donde las grietas e imperfecciones se acumulan cuando un objeto se somete a cargas y descargas periódicas.

El estrés del material es una preocupación importante en muchas aplicaciones industriales. Es especialmente importante para piezas de máquinas o aeronaves que pasan por muchos ciclos de estrés, pero su falla repentina puede ser desastrosa. Como resultado, tener una mejor comprensión del proceso básico de fatiga del material puede tener beneficios significativos, especialmente para los materiales no cristalinos.

Ahora, un grupo de científicos del Instituto de Ciencias Industriales de la Universidad de Tokio ha estudiado los mecanismos físicos de la fractura por fatiga de ciclo bajo en el caso de sólidos amorfos, como el vidrio o el plástico, utilizando simulaciones por computadora. Para los materiales cristalinos, se ha demostrado que los defectos preexistentes y los límites de grano pueden provocar una fractura por 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 que para la tensión continua, esto no fue lo que encontraron los científicos.

«Contrariamente a la creencia popular, hemos demostrado que la tensión crítica en los materiales perturbados que corresponde al inicio de la deformación irreversible es la misma tanto para las fracturas por tensión como por fatiga», dice el coautor Yuji Kurotani.

Esto se debe a que, para los sistemas amorfos normales, una mayor densidad conduce a una mayor flexibilidad y una dinámica más lenta. Esta dependencia de la densidad de las propiedades mecánicas acopla la deformación por cizallamiento con las fluctuaciones de la densidad. El cizallamiento periódico puede amplificar las fluctuaciones de densidad hasta que la muestra atraviese la cavidad, donde se producen vacíos.

«Es como un tren lleno de gente», dice el coautor Hajime Tanaka. «Las variaciones dinámicas y elásticas con respecto a los cambios de densidad pueden conducir a una correlación entre la deformación por corte y las fluctuaciones de densidad».

Según los autores del estudio, estos hallazgos deberían confirmarse mediante experimentos, que también ayudarán a los científicos de materiales a comprender mejor el inicio de las fracturas.

Referencia: «Mecanismo de ruptura de fatiga de materiales amorfos de un modelo denso de grano grueso» 11 de octubre de 2022, disponible aquí. materiales de comunicación.
DOI: 10.1038 / s43246-022-00293-9