Los materiales componen el mundo que nos rodea. Están en todas partes, desde la madera, los plásticos y la cerámica de nuestros hogares hasta los metales y el hormigón que se utilizan para construir edificios y puentes. Pero con el tiempo, los materiales pueden degradarse, su estructura cambia, se vuelven menos confiables. ya veces incluso fallan por completo, con consecuencias catastróficas.

Por lo tanto, un gran desafío con los materiales de ingeniería como el acero es garantizar que duren el mayor tiempo posible. Eso significa encontrar formas de contrarrestar los procesos de "degradación de materiales", como la fatiga de las tensiones cíclicas; fluencia (deformación lenta) causada por estrés mecánico a altas temperaturas; desgaste por el roce de los componentes entre sí; y la corrosión provocada por productos químicos en el medio ambiente, incluidos el agua, las sales y los gases agresivos.

La degradación puede acumularse sutilmente hasta que toda la estructura falla repentinamente

Comprender la forma en que cambian los materiales durante estos procesos puede ser un desafío, ya que los mecanismos subyacentes a menudo ocurren a nivel atómico. Los ligeros movimientos o reacciones de los átomos individuales son imperceptibles para los sentidos humanos, pero cuando se multiplican en miles de millones o billones de átomos, se acumulan en cambios dramáticos en el material. Estas alteraciones pueden ocurrir en niveles pequeños durante años antes de que se observe un cambio notable en un componente, y la degradación puede acumularse sutilmente hasta que la estructura completa falle repentinamente.

cristales imperfectos

Muchos materiales importantes, como los metales, el silicio o el diamante, son cristales, unidades de átomos repetitivos altamente ordenados. Sus formaciones reticulares regulares pueden producir una miríada de propiedades útiles, como resistencia, conductividad térmica, conductividad eléctrica y transparencia óptica. Si bien estas propiedades son muy importantes para las aplicaciones y están optimizadas por una estructura cristalina perfecta, son las desviaciones de la perfección las que son clave en la degradación de los materiales.

Estos "defectos" pueden tomar muchas formas, siendo el caso más simple un átomo faltante, o una vacante, en la red repetida. (Figura 1). Los defectos de largo alcance más complejos incluyen dislocaciones, donde líneas enteras o espirales de átomos pueden estar fuera de lugar. También hay límites de grano, donde se encuentran regiones de cristal que se formaron en diferentes ángulos, lo que puede dejar una línea de átomos con enlaces desalineados. La inclusión de elementos químicos adicionales a un material puede complicar aún más su estructura. Se pueden formar nuevas fases conocidas como precipitados, y dado que es probable que tengan estructuras diferentes a las del cristal a granel, introducen áreas con propiedades diferentes.

Cuando un defecto experimenta influencias externas, como fuerza de estrés, un cambio de temperatura o incluso un ataque químico, pueden ocurrir muchas interacciones complejas e interesantes. Los átomos en los defectos no tienen la misma estructura de enlaces que los del cristal principal y pueden carecer de enlaces por completo. Esto significa que los defectos son más fáciles de mover bajo estrés y pueden reaccionar más fácilmente con otros elementos químicos para formar nuevos enlaces.

Comprender cómo un defecto simple se ve afectado por un solo mecanismo de degradación, como el aumento de la tensión, la temperatura o la reacción química, puede ser relativamente sencillo. Pero un componente de un puente, un avión o un reactor nuclear puede tener miles de millones de interacciones de este tipo en entornos complejos. Descubrir cómo estos procesos microscópicos individuales se combinan en cambios macroscópicos complicados en un componente es un gran desafío, pero las herramientas y enfoques innovadores ahora permiten a los científicos de materiales estudiar estos problemas de degradación de nuevas maneras.

En particular, el auge de los microscopios de alta velocidad nos permite caracterizar los defectos a escala atómica más rápido y en áreas más grandes que nunca. Mientras tanto, técnicas como el aprendizaje automático, el reconocimiento de imágenes y el procesamiento de datos significan que podemos estudiar conjuntos de datos más grandes. En conjunto, estamos obteniendo nuevos conocimientos a nivel atómico sobre cómo se degradan los materiales, lo que a su vez nos permite hacer mejores predicciones de cómo los materiales podrían fallar en última instancia.

Corrosión bajo tensión

Una forma particularmente compleja en la que los materiales se degradan es el "agrietamiento por corrosión bajo tensión" (SCC). Ocurre en los metales cuando un material susceptible experimenta un alto estrés en un ambiente corrosivo, y la combinación de estos tres factores finalmente conduce a un agrietamiento repentino e inesperado. SCC puede ocurrir tanto a altas temperaturas, por ejemplo, en motores de aviones y circuitos de refrigerante en reactores nucleares, como a bajas temperaturas, como con plataformas petroleras o eólicas marinas. Prevalece particularmente donde hay sal presente, poniendo los materiales en el mar especialmente en riesgo. El resultado final puede ser una falla catastrófica: los barcos se hunden, los motores fallan, los puentes se derrumban y los gasoductos explotan.

Para comprender completamente este proceso de falla único, debemos averiguar cómo comienza. Sin embargo, esto es muy difícil de hacer ya que el evento ocurre en momentos aleatorios, y si ya ha comenzado una fisura, los orígenes del proceso probablemente estén ocultos por el daño creado.

Para abordar el problema, nuestro equipo en el Universidad de Bristol está utilizando múltiples métodos de microscopía para observar las grietas a medida que se expanden en tiempo real. un metodo que resultó ser particularmente útil para analizar variaciones a pequeña escala en las características de la superficie microestructural es la microscopía de fuerza atómica de alta velocidad (HS-AFM) (ver recuadro).

HS-AFM es ideal para estudiar SCC porque los experimentos se pueden realizar en un líquido y la degradación se puede observar en tiempo real. Por lo tanto, nuestro equipo diseñó un aparato de flexión que puede contener una muestra bajo tensión de tracción dentro de un entorno líquido corrosivo, y pudo realizar el primer experimento de este tipo (Degradación de materiales npj 5 3).

El material que probamos era una muestra de acero inoxidable que había sido tratado con calor para hacer que la microestructura fuera más susceptible a SCC: el calor cambia el tamaño de los granos y la presencia de precipitados, y también mueve los elementos químicos y hace que los límites de los granos sean más vulnerables. al ataque químico. La tensión de tracción, es decir, la tensión que actúa para separar la muestra, se aplicó al acero a través de un equipo de plegado de tres puntos (figura 3). Al mismo tiempo, la muestra se mantuvo en un ambiente líquido corrosivo de 395 ppm de tiosulfato de sodio, que a menudo se encuentra en oleoductos y gasoductos.

Estas condiciones son particularmente relevantes dentro de las aplicaciones nucleares y se sabe que inducen SCC intergranular, donde la grieta se forma a lo largo de los límites del grano en lugar de a través del grano. Por lo tanto, las mediciones por HS-AFM se concentraron a lo largo de los límites de grano del material, para observar los procesos antes y durante SCC.

Con algo de habilidad, algo de suerte y mucha paciencia, pudimos realizar in situ y observaciones en tiempo real de SCC

A menudo se requieren muchos intentos para obtener imágenes de SCC con éxito, ya que hay pocas formas de predecir en qué límites de grano se iniciará la grieta y a lo largo de cuál progresará. Con algo de habilidad, algo de suerte y mucha paciencia, pudimos realizar in situ y observaciones en tiempo real de SCC a medida que la grieta avanzaba a lo largo de un límite de grano, como se muestra en la figura 3. Esta medición brindó una nueva visión del comportamiento de agrietamiento, revelando la forma en que los granos se separaron. En lugar de simplemente separarse en el plano, la grieta también provocó que un grano se levantara a medida que avanzaba la grieta, produciendo un movimiento de corte. Se encontró que este comportamiento es el resultado de la propagación de grietas debajo de la superficie, lo que provoca el movimiento de los granos en la superficie de la muestra.

La capacidad de tomar imágenes topográficas de alta resolución de la propagación de grietas es especialmente útil, ya que ayuda a mejorar los modelos computacionales de SCC. Esta información es poderosa: al saber qué parte de la estructura del material es atacada por SCC, podemos ayudar a diseñar recubrimientos y nuevos materiales para proteger contra ataques y hacer que los componentes duren más. Sin embargo, la imagen es incompleta y, a menudo, necesitamos técnicas complementarias para concluir la historia.

Análisis complementario

Los procesos de corrosión, como SCC, son sistemas complejos que consisten en cambios tanto físicos como electroquímicos. Las nuevas técnicas, como HS-AFM, permiten a los investigadores desbloquear información adicional sobre tales mecanismos, pero para obtener una comprensión completa del comportamiento de un material, a menudo una técnica no es suficiente por sí sola. Se requieren múltiples técnicas complementarias que permitan la medición de procesos superficiales y subterráneos, cambios químicos y señales eléctricas en diferentes períodos y escalas de tiempo.

Hay muchas técnicas que se pueden usar juntas para desbloquear información diferente sobre un material (figura 4). Por ejemplo, la difracción de retrodispersión de electrones (EBSD) en un microscopio electrónico de barrido (SEM) o la difracción en un microscopio electrónico de transmisión (TEM) pueden informarnos sobre los ángulos relativos de la red cristalina dentro de diferentes regiones (o granos) de un material (figura 5). Esto brinda información sobre las tensiones locales en una grieta y por qué una región particular de un material puede ser vulnerable al ataque primero.

Técnicas como la espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDX) tanto en TEM como en SEM, así como la tomografía de sonda atómica (APT) brindan información sobre la composición elemental de una muestra, proporcionando pistas sobre los cambios químicos que ocurren cuando las reacciones corrosivas toman lugar. lugar. La espectroscopia de fotoemisión de rayos X y ultravioleta que utiliza un instrumento de espectroscopia electrónica para análisis químico (NanoESCA) puede brindar información increíble sobre el entorno electrónico local en la superficie de una muestra. Puede decirnos, por ejemplo, qué tan probable es que las diferentes regiones de un material pierdan un electrón y, por lo tanto, por qué podrían ser más vulnerables a la corrosión.

Cada una de estas técnicas de microscopía avanzada tiene sus propias fortalezas y puede brindar información para diferentes escalas de longitud de un material, desde la escala de milímetros hasta átomos individuales. Usando la combinación adecuada de técnicas, los científicos pueden reunir conocimientos sin precedentes sobre la estructura, la química, el estrés local y el entorno químico para que podamos descubrir los orígenes de la falla en nuevos niveles de detalle.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/uncovering-the-tiny-defects-that-make-materials-fail/