Tome un clip de alambre. Ahora, dóblelo de un lado a otro en el mismo lugar 15, tal vez 20 veces. Lo más probable es que el clip se haya roto antes de que termines. Esto se debe a lo que se denomina fatiga del metal, que ocurre cuando un componente metálico se somete a esfuerzos cíclicos hasta que falla.

Si bien el clip roto es un ejemplo trivial de la fatiga del metal, el fenómeno es un gran problema en el resto del mundo. « La mayoría de las fallas inesperadas (puentes, aviones, plataformas petroleras, válvulas cardíacas) fallan por ese proceso », dijo la profesora de ciencia de materiales de UC Santa Barbara, Tresa Pollock, quien se especializa en el desempeño mecánico y ambiental de materiales en ambientes extremos. Prácticamente cualquier metal estructural que esté sujeto a estrés cíclico (deformaciones, vibraciones, temperaturas extremas, impactos y similares) es vulnerable, con resultados que pueden costar cientos de miles de millones de dólares cada año.

Para prever y evitar destinos tan catastróficos, Pollock y otros investigadores de la UCSB, la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y la Universidad de Poitiers en Francia han desarrollado una teoría que predice los límites a los que los metales pueden estar sujetos a estrés cíclico antes de fallar. Y pueden predecir el fracaso desde el primer ciclo. Su investigación se publica en la revista Science.

Ser capaz de predecir cuándo es probable que falle un componente metálico debido a la tensión cíclica ha sido durante mucho tiempo una prioridad al diseñar un sistema de ingeniería, ya sea una válvula cardíaca artificial o una planta de energía nuclear. Sin embargo, según Pollock, quien también se desempeña como decano interino de la Facultad de Ingeniería de UC Santa Barbara, el proceso para tomar esta determinación no ha cambiado mucho en casi dos siglos.

« Toman algo, lo ciclan y miden los ciclos hasta el fallo », dijo.

Pero estos resultados impulsados ​​empíricamente a menudo vienen sin los conocimientos cuantitativos más profundos que permitirían predicciones en una amplia gama de metales en diversas condiciones. Para complicar aún más el asunto, las fallas a menudo pueden ocurrir después de millones o miles de millones de ciclos. « Y si tiene que probar algo durante un año o 10 años antes de que falle, entonces es un poco difícil generar suficientes resultados de prueba para diseñar contra esa falla », dijo Pollock.

Las técnicas avanzadas proporcionan nuevos conocimientos

Desde el momento en que un metal sólido se somete a su primer ciclo de estrés, generalmente primero en tensión, seguido de compresión y luego de vuelta a cero, se establece en una trayectoria hacia la falla. Pero a menudo, el daño no es inmediatamente visible a simple vista. Sin embargo, a escala nanométrica, el daño está ahí : los átomos en la zona estresada del metal se deslizan unos contra otros, creando patrones de desgaste llamados « bandas de deslizamiento ». A medida que el material experimenta más ciclos, emergen más de estas bandas deslizantes y, finalmente, se forma una microfisura. Más ciclos de carga hacen que la grieta crezca hasta que se convierte en una grieta macroscópica y el metal falla.

La « resistencia a la fatiga » es el estrés que se puede tolerar durante una gran cantidad de ciclos antes de fallar, a menudo entre un millón y mil millones. Probar una gran colección de metales y aleaciones de ingeniería con un conjunto de nuevas técnicas permitió a los investigadores conectar las mediciones del primer ciclo de localización del deslizamiento con la resistencia a la fatiga del metal de una manera sorprendentemente sencilla.

« Nunca esperábamos que esta correlación fuera tan lineal entre tantos materiales diferentes », continuó. « El conjunto de materiales examinados son muy, muy diferentes entre sí y todos caen en la misma curva ».

El núcleo del descubrimiento del equipo es el microscopio TriBeam desarrollado por la UCSB, que permite nuevos enfoques de alta resolución para estudiar las bandas deslizantes, junto con nuevas pruebas de fatiga ultrasónica y técnicas de análisis de datos multimodales. « La capacidad de desarrollar y mantener estos instrumentos avanzados y combinarlos con el análisis asistido por aprendizaje automático dentro de la infraestructura de UCSB fue de vital importancia », dijo Pollock.

El sitio y la intensidad de los primeros eventos de localización de deslizamiento son, según el estudio, predictivos de cuándo fallará el material y dónde comenzará a formarse la grieta. La clave de estas predicciones es el « límite elástico » del metal, conocido como el punto de no retorno donde el metal se deforma irreversiblemente durante la carga.

« La observación sorprendente es que algunas bandas deslizantes que aparecen durante el primer medio ciclo de tensión desaparecen por completo al final del ciclo », explicó Pollock. « Sin embargo, una pequeña fracción de las bandas no desaparece o se ‘revierte’ durante el primer ciclo; se descubrió que estos eran los sitios donde ocurrieron fallas mil millones de ciclos más tarde ».

Los estudios de alta resolución de los investigadores también brindan información sobre los factores que influyen en la resistencia a la fatiga de un metal, incluidos los métodos de procesamiento y la estructura cristalina : la disposición tridimensional de los átomos de los metales. La forma en que los átomos se deslizan entre sí difiere según cómo estén apilados. Las disposiciones cúbicas centradas en el cuerpo (átomos en cada esquina y en el centro del cubo) experimentan eventos de deslizamiento más dispersos, mientras que las cúbicas centradas en las caras (átomos en cada esquina y en cada cara del cubo) y los metales de paquete cerrado hexagonal exhiben más deslizamientos localizados y mayor variación en su intensidad. Estos parámetros pueden explicar las diferencias en la vida de fatiga de los metales con diferentes estructuras cristalinas y ser un factor en la teoría del equipo de investigación.

Estas correlaciones recién descubiertas y los conocimientos cuantitativos avanzan en la comprensión de la fatiga del metal, con la implicación de que pueden usarse para diseñar sistemas de ingeniería de manera más óptima y predecir de manera más definitiva cuándo y cómo fallará un componente metálico.

« Si puede predecir cómo se comportará el metal desde el primer ciclo, no tendría que someterse a todos estos enfoques de prueba costosos y que consumen mucho tiempo », dijo Pollock, « y podemos fabricar mejores materiales y protegernos contra los desastres ».. »

La investigación de Pollock para este estudio fue apoyada por la Beca de la Facultad Vannevar Bush (VBFF) del Departamento de Defensa de EE. UU. que se otorga a aproximadamente 10 miembros de la facultad en todos los campos cada año. VBFF admite ideas nuevas y listas para usar donde la creatividad del investigador se cruza con lo desconocido.