Descubren la causa de la fragilidad de los metales en ciertas condiciones

El conocimiento preciso de las condiciones que generan una súbita fragilidad en el metal sólido en determinadas condiciones, cuando se trata de un material preparado para soportar todo tipo de presiones, podría favorecer el desarrollo de nuevos enlaces químicos con los que superar este problema. Así lo determina una investigación desarrollada por ingenieros de la Universidad de Lehigh, en Estados Unidos.

La siguiente cuestión ha constituido una obsesión para la industria metalúrgica durante los últimos cien años: ¿por qué un metal sólido, que se ha diseñado para su máxima ductilidad y para soportar todo tipo de presiones, se vuelve imprevistamente frágil, con consecuencias dramáticas para las estructuras en las que ha sido empleado?

Todo se debe a la presencia de ciertas impurezas del metal líquido, que determinan un fenómeno conocido como fragilización por metal líquido o LME. Sin embargo, los ensayos experimentales para alcanzar un mayor entendimiento de este mecanismo han presentado profundas dificultades para ser aplicados.

Las elevadas temperaturas a las que deben ser realizadas las pruebas, especialmente con metales de gran trascendencia industrial como el zinc o el plomo, entre otros, generan la necesidad de procedimientos complicados. Sin embargo, un nuevo trabajo de ingenieros de la Universidad de Lehigh parece haber logrado un importante avance al respecto.

Observación directa del problema

Según Martin Harmer, profesor de ciencias de los materiales e ingeniería en Lehigh, el grupo de investigación a su cargo ha logrado por primera vez la observación directa a escala atómica de un sistema de metal en fase de transición, que se produce durante el proceso de fragilización por metal líquido.

Los resultados obtenidos sugieren que el fortalecimiento de los enlaces químicos entre los materiales presentes podría desembocar en una solución práctica a este problema, de fuerte incidencia en la industria.

El trabajo fue difundido a través de una nota de prensa de la Universidad de Lehigh, y en dos artículos publicados por la revista especializada Science: “The Role of a Bilayer Interfacial Phase on Liquid Metal Embrittlement” y “The Phase Behavior of Interfaces”.

Según los expertos, este avance brinda una comprensión más clara de los mecanismos atómicos involucrados en la fragilización por metal líquido, abriendo el camino para optimizar la capacidad de control y ajuste de las propiedades de los metales y otros materiales, durante su fabricación.

La investigación se desarrolló en una primera etapa durante 18 meses, con el financiamiento de la Marina de los Estados Unidos. El grupo de ingenieros y especialistas continuará su trabajo para hallar la solución a los distintos problemas relacionados con los metales a partir de la LME, con una subvención de 7,5 millones de dólares a través de la Multidisciplinary University Research Initiative (MURI).

Una vía hacia la solución

Además de los investigadores de Lehigh, en esta segunda etapa del proyecto participarán expertos de las universidades de Carnegie-Mellon, Clemson, Illinois y Kutztown. El primer trabajo del grupo dirigido por Harmer se centró en la relación entre el bismuto y el níquel.

Existe un vínculo muy fuerte entre el bismuto y el níquel, pero lo que nunca había estado claro es la razón por la que esta aleación tan potente es susceptible a la fragilización. Sin embargo, la observación permitió determinar que los enlaces entre átomos de bismuto son débiles, siendo ese justamente el inicio del fenómeno que produce la fragilidad.

Las imágenes obtenidas, que representan la naturaleza en 3-D de la relación entre el níquel y el bismuto, permitieron advertir que en la doble capa de átomos de bismuto se encuentra la fuente inicial de la debilidad a escala atómica de la aleación. Según Harmer, la unión es tan débil en esa capa que condiciona la posterior fragilidad de la aleación.

Para solucionar este inconveniente, el grupo planea experimentar distintos enlaces químicos que permitan producir un comportamiento más dúctil y fiable. Por ejemplo, la combinación de bismuto con otros elementos podría incrementar en gran medida la eficacia de la aleación.