Físico investiga las causas de la vida

11 de noviembre de 2022

por el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore

La "fatiga de permanencia" es un fenómeno que puede ocurrir en las aleaciones de titanio cuando se mantienen bajo tensión, como el disco del ventilador de un motor a reacción durante el despegue. Este peculiar modo de falla puede iniciar grietas microscópicas que reducen drásticamente la vida útil de un componente.

No se creía que la aleación de titanio más utilizada, Ti-6Al-4V, mostrara fatiga por permanencia antes del incidente del vuelo 066 de Air France en 2017, en el que un Airbus en ruta de París a Los Ángeles sufrió una falla en el disco del ventilador sobre Groenlandia que obligó a una emergencia. aterrizaje. El análisis de ese incidente y varias inquietudes más recientes llevaron a la Administración Federal de Aviación y la Agencia de Seguridad Aérea de la Unión Europea a coordinar el trabajo en toda la industria aeroespacial para determinar las causas fundamentales de la fatiga de permanencia.

Según los expertos, los metales se deforman predominantemente a través del deslizamiento de dislocaciones: el movimiento de los defectos de línea en la red cristalina subyacente. Los investigadores sostienen que la fatiga por permanencia puede iniciarse cuando el deslizamiento se restringe a bandas estrechas en lugar de ocurrir de manera más homogénea en tres dimensiones. La presencia de precipitados intermetálicos de Ti3Al a escala nanométrica promueve la formación de bandas, particularmente cuando las condiciones de procesamiento permiten su ordenamiento de largo alcance.

Las cosas se ponen difíciles cuando este comportamiento de bandas ocurre en un grupo contiguo de granos orientados 'suaves', denominados "macrozona", explicaron los investigadores. La concentración de deformación resultante, donde la banda se encuentra con un grano orientado "duro" fuera de la macrozona, conduce a una concentración de tensión que inicia el proceso de agrietamiento.

Para complicar aún más las cosas, el deslizamiento de la dislocación ocurre de manera intermitente en ráfagas o "avalanchas", de manera similar a cómo los pequeños eventos de deslizamiento de fallas pueden iniciar terremotos más significativos. La magnitud y la frecuencia de estas avalanchas de deslizamiento influyen fuertemente en el inicio de la fatiga por permanencia.

En un estudio reciente realizado por un equipo multinacional, incluidos científicos actuales y anteriores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), los investigadores utilizaron rayos X de sincrotrón para rastrear eventos discretos de avalancha de deslizamiento en titanio mantenido bajo carga a temperatura ambiente.

Un equipo del Imperial College London proporcionó especímenes de Ti-7Al especialmente preparados, una aleación que representa un sustituto de la fase primaria en Ti-6Al-4V. Las poblaciones de tipos de defectos de dos puntos se modularon en las muestras: el contenido de oxígeno intersticial y la cantidad de precipitados de Ti3Al ordenados.

El estudio, publicado en Nature Communications, muestra que donde el Ti3Al exhibe ordenamiento, las avalanchas de deslizamiento son más severas en la magnitud del estrés asociado. Por el contrario, el aumento de la cantidad de oxígeno intersticial parece reducir la gravedad, promoviendo avalanchas más pequeñas y más frecuentes.

"Este trabajo ofrece una visión novedosa de mesoescala de los eventos de deformación intermitente (pequeños "estallidos" de deslizamiento plástico) que sustentan la fatiga por permanencia, específicamente cómo la frecuencia y la magnitud de esos eventos dependen del contenido de oxígeno y la aleación", dijo el coautor y LLNL. físico Joel Bernier. "Estos datos pueden ayudar a guiar el procesamiento para evitar microestructuras que tengan un efecto nocivo en la resistencia a la fatiga por permanencia".

Bernier ayudó a ejecutar mediciones de microscopía de difracción de rayos X de alta energía en la fuente de sincrotrón de alta energía de Cornell (CHESS) y realizó la reducción de datos utilizando la biblioteca de software HEXRD desarrollada por LLNL. El equipo cuantificó la frecuencia y la magnitud de los estallidos de tensión resultantes de las avalanchas de deslizamiento y descubrió que ambos tipos de defectos puntuales tenían efectos pronunciados sobre el deslizamiento que se producía en los planos basales de la red cristalina.

Los investigadores descubrieron que este mecanismo de deformación se vuelve más fácil de activar después de la cesión inicial, un ablandamiento conocido por ser un precursor de la acumulación de daños y fallas en casos de fatiga por permanencia. Entre los hallazgos clave: una mayor concentración de intersticiales de oxígeno redujo la magnitud promedio de las avalanchas de deslizamiento basal al promover eventos más frecuentes de menor magnitud.

Por el contrario, la expansión del tamaño de los precipitados Ti2Al ordenados, al envejecer el material a una temperatura elevada, aumentó tanto la frecuencia como la magnitud de las avalanchas de deslizamiento, lo que aumentó la probabilidad de que se iniciaran grietas. Según el equipo, estos hallazgos pueden ayudar a optimizar el procesamiento de aleaciones de titanio para resistir la fatiga por permanencia.

Más información: Felicity F. Worsnop et al, La influencia de la aleación en la intermitencia del deslizamiento y las implicaciones para la fatiga por permanencia en titanio, Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-33437-z

Información del diario:Comunicaciones de la naturaleza

Proporcionado por el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore