Los investigadores recurren a una herramienta cotidiana para estudiar cómo se comportan los materiales

Los investigadores de la Universidad de Texas A&M están tomando una herramienta de fabricación tradicional, el corte de metales, y están desarrollando un método más accesible para comprender el comportamiento de los metales en condiciones extremas.

El corte de metales, raspar una capa delgada de material de la superficie de un metal con un cuchillo afilado (no muy diferente de cómo raspamos la mantequilla), puede no ser lo primero que se nos ocurra al estudiar las propiedades del material. Sin embargo, los Dres. Dinakar Sagapuram y Hrayer Aprahamian, profesores asistentes en el Departamento de Ingeniería Industrial y de Sistemas de Wm Michael Barnes ’64, querían ver si el proceso podía predecir el comportamiento del material bajo diversas condiciones de deformación. Su equipo incluía a Harshit Chawla, estudiante de doctorado en ingeniería industrial y de sistemas, y al Dr. Shwetabh Yadav, profesor asistente en el Instituto Indio de Tecnología, Hyderabad.

«El conocimiento de cómo los materiales se deforman y fallan en condiciones mecánicas adversas es vital para estudiar y desarrollar diversas aplicaciones tecnológicas, incluidos los procesos de fabricación, las pruebas de choque de vehículos y las pruebas de impacto para aplicaciones relacionadas con la defensa», dijo Chawla.

Dado que el proceso de corte implica cizallamiento local o deformación del metal a niveles extremos a altas velocidades, el equipo planteó la hipótesis de que podría proporcionar información fundamental sobre la resistencia del material, la resistencia a la deformación plástica o el cambio de forma irreversible.

«La investigación abre una nueva aplicación interesante para el corte de metales como una ‘prueba de propiedad’ que los científicos y físicos de materiales pueden usar para probar sus teorías», dijo Sagapuram. «La cantidad de teorías matemáticas de la plasticidad del metal bajo altas velocidades de deformación supera con creces los datos experimentales. Por lo tanto, la información de propiedades obtenida mediante el corte de metales puede probar qué teorías son válidas y cuáles no».

El equipo usa una cámara de alta velocidad para observar cómo los metales se deforman y cortan cuando se encuentran con una herramienta de corte afilada, y luego usan esa información para deducir la información básica de sus propiedades. Sin embargo, un desafío significativo radica en obtener propiedades materiales intrínsecas a partir de datos de imágenes visuales de alta velocidad. Aunque el corte de metales no es el área de especialización de Aprahamian, la asociación con Sagapuram ha generado nuevas ideas y técnicas numéricas.

“Un aspecto importante de esta investigación es establecer técnicas de optimización matemática que garanticen la optimización global, logrando así la mejor solución posible”, dijo Aprahamian. «De lo contrario, es posible que obtenga soluciones que parezcan satisfactorias pero que no describan con precisión el material».

Las ventajas del corte de metales sobre los métodos de prueba usados ​​hoy en día son que es simple y puede producir una variedad de condiciones que son difíciles de lograr usando pruebas convencionales pero que son importantes desde el punto de vista de muchas aplicaciones de ingeniería.

«Estamos entusiasmados con la perspectiva de utilizar el corte como un método conveniente para determinar las propiedades de los materiales que ahora solo se pueden obtener con una dificultad considerable», dijo Sagapuram. «Debido a que es tan simple en principio, cualquier persona con acceso a un taller de maquinaria ahora puede obtener datos de materiales sin capacidades de prueba sofisticadas».

El equipo publicó recientemente su trabajo en Anales de la Royal Society A revista, con otro artículo sobre técnicas numéricas en preparación. Una subvención de la Fundación Nacional de Ciencias apoya la investigación.

Sagapuram dijo que el equipo recientemente comenzó a colaborar con el Laboratorio Nacional de Los Álamos, respaldado por la Oficina de Laboratorios Nacionales del Sistema Universitario de Texas A&M, para comparar sus datos con las plataformas de prueba de resistencia dinámica más establecidas de materiales disponibles en el laboratorio. Estos estudios contribuirán a validar el método y verificar si diferentes experimentos con el mismo metal proporcionan datos consistentes.

Aprahamian dijo que su trabajo para desarrollar técnicas matemáticas también tiene aplicaciones potenciales fuera de la caracterización de materiales.

«Mi grupo está extendiendo algunos de estos algoritmos y técnicas al campo de la atención médica, donde estamos utilizando herramientas de optimización global para crear estrategias de detección sólidas», dijo Aprahamian. «Esto se puede usar para prevenir futuros brotes y mejorar la detección de enfermedades infecciosas entre la población».

Chawla dijo que la investigación le ha permitido trabajar en un campo que le ha interesado durante años.

«Fue interesante estudiar la mecánica del proceso de corte de metales utilizando técnicas experimentales innovadoras», dijo Chawla. «Observar de cerca la deformación del material durante el corte, especialmente a nivel microscópico a altas velocidades de cuadro, fue fascinante».