Microscopía que muestra la trayectoria de una fractura y la deformación de la estructura cristalina en la aleación de CrCoNi.

Ingenieros en EE.UU. obtuvieron una aleación metálica con la mayor tenacidad a la fractura jamás medida en un material en la Tierra. El material, constituido por cromo, cobalto y níquel (CrCoNi), tiene una resistencia y ductilidad extremadamente altas. Además, y de manera contraria a la intuición, estas propiedades aumentan a medida que el material se enfría, lo que sugiere un potencial interesante para aplicaciones en entornos criogénicos extremos, comunicaron sus creadores.

“Cuando se diseñan materiales estructurales, se quiere que sean fuertes, pero también dúctiles y resistentes a la fractura”, comentó el ingeniero metalúrgico Easo George, de la Universidad de Tennessee, y uno de los autores de la investigación. “Por lo general, es un compromiso entre estas propiedades. Pero este material es ambas cosas, y en lugar de volverse quebradizo a bajas temperaturas, se vuelve más resistente”, explicó.

La dureza, la ductilidad y la tenacidad son tres propiedades que determinan la durabilidad de un material. La dureza describe la resistencia a la deformación y la ductilidad describe cuán maleable es un material. Estas dos propiedades contribuyen a su tenacidad general: la resistencia a la fractura. Por lo general, la tenacidad se incrementa con el aumento de la temperatura.

George y otro autor, el ingeniero mecánico Robert Richie de la Universidad de California en Berkeley, han pasado algún tiempo trabajando en una clase de materiales conocidos como aleaciones de alta entropía (HEA, por sus siglas en inglés). La mayoría de las aleaciones están dominadas por un elemento, con pequeñas proporciones de otros mezclados, mientras que las HEA contienen elementos mezclados en proporciones iguales.

Durante su investigación, los científicos notaron que la resistencia y ductilidad del nuevo material aumentan a la temperatura del nitrógeno líquido (-196 °C) sin comprometer su dureza. El equipo llevó aún más lejos el experimento, a temperaturas de helio líquido (-253 °C). Los resultados fueron más que sorprendentes. “La dureza de este material cerca de las temperaturas de helio líquido es tan alta como 500 megapascales por metro cuadrado”, detalló Ritchie.

“En las mismas unidades, la dureza de una pieza de silicio es 1, la estructura de aluminio de los aviones de pasajeros es de aproximadamente 35 y la dureza de algunos de los mejores aceros es de alrededor de 100. Entonces, 500 es un número asombroso”, expuso.

¿Cómo lo hace?

Los investigadores identificaron en el CrCoNi una secuencia particular de tres bloques de dislocación o movimiento de la red cristalina del metal cuando es sometido a una fuerza. La primera que ocurre es el deslizamiento, que es cuando partes paralelas de una red se separan unas de otras. Esto hace que las unidades repetitivas ya no coincidan perpendicularmente a la dirección de deslizamiento.

Si la fuerza continúa, produce nanohermanamiento, donde las redes forman una disposición especular a cada lado de un límite. Si se aplica aún más fuerza, esa energía se dedica a reorganizar la forma de las unidades cristalinas, de una red cúbica a una hexagonal. “Mientras lo tiras, el primer mecanismo comienza, luego comienza el segundo, luego comienza el tercero y luego el cuarto”, indica Ritchie.

“Ahora mucha gente dirá: ‘bueno, hemos visto nanohermanamiento en materiales regulares, hemos visto deslizamiento en materiales regulares’. Eso es cierto. No hay nada nuevo en eso, pero es el hecho de que todo ocurre en esta secuencia mágica que nos da estas propiedades realmente tremendas”, continuó.

El siguiente paso será investigar las posibles aplicaciones de dicho material, así como encontrar otras HEA con propiedades similares. La investigación ha sido publicada recientemente en Science.