El equipo de investigación revela hallazgos sorprendentes sobre la fatiga cíclica del material en materiales amorfos

Investigadores de la Universidad de Tokio han demostrado que para los materiales amorfos, la fatiga cíclica del material puede comenzar a fracturarse al mismo nivel de tensión que las fracturas debido a la carga constante. Mediante el uso de simulaciones por computadora, el equipo pudo distinguir cuatro modos de falla distintos. Este trabajo podría mejorar la vida útil de la maquinaria industrial.

El daño a las piezas industriales es costoso, genera demoras y puede ser peligroso para los trabajadores de la planta. Pero ahora, los científicos de Japón han simulado la fractura iniciada en materiales que comparten una característica física particular y se usan ampliamente en aplicaciones domésticas, industriales y científicas. Su trabajo, publicado en Materiales de comunicaciónmostró 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, puede romperse repentinamente después de suficientes ciclos. 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. La fatiga del material es una preocupación importante en muchas aplicaciones industriales, y especialmente para piezas de máquinas o aviones que experimentan muchos ciclos de tensión y para las cuales una falla repentina podría ser catastrófica. Como resultado, obtener una mejor comprensión del proceso subyacente de fatiga del material podría generar beneficios significativos, especialmente para los materiales no cristalinos.

El equipo de investigadores 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 el vidrio o los 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». Estos autores mencionan que estos resultados deberían confirmarse con experimentos, lo que también ayudaría a los científicos de materiales a comprender mejor el inicio de las fracturas.