Equipo de investigación avanza en la comprensión del aluminio con métodos no destructivos
Publicado : 22 febrero 2023
Según un estudio, recientemente publicado, tanto la velocidad de propagación de ondas acústicas como el parámetro no lineal se relacionan con la densidad de dislocaciones, lo que sugiere que éstos pueden ser utilizados para detectar daño y cambios microestructurales en el material. Además, se encontró que el parámetro no lineal es mucho más sensible, lo que sugiere que podría ser una herramienta de caracterización más efectiva en la detección temprana del daño.
El aluminio es un material ampliamente utilizado en la industria aeronáutica debido a su resistencia a la corrosión, bajo peso y alta ductilidad, lo que lo hace ideal para la fabricación de piezas y partes.
El conocimiento de las propiedades mecánicas y su comportamiento bajo diferentes tensiones es esencial para garantizar su uso seguro y confiable. Estudiar por lo tanto, la deformación plástica -el proceso irreversible en el cual un material se deforma permanentemente debido a la aplicación de una carga- es crucial para entender su desempeño en servicio, especialmente en aquellos que son sometidos a grandes fuerzas y tensiones.
En los últimos años, las técnicas de correlación de imágenes digitales, basadas en mediciones realizadas en la superficie de una muestra, se han utilizado con éxito junto con el modelado de elementos finitos para obtener información sobre la deformación plástica en el interior.
Por su parte, las ondas acústicas ultrasónicas se han utilizado para la caracterización de materiales debido a su capacidad de relacionar las propiedades mecánicas, acústicas y estructurales de los materiales. Con ellas se ha realizado la detección de defectos como grietas, poros e inclusiones.
La técnica de ultrasonido de reflexión se basa en la detección de la señal reflejada cuando las ondas ultrasónicas se encuentran con un defecto en el material difíciles de inspeccionar visualmente. Adicionalmente se ha utilizado para determinar las propiedades mecánicas, como la elasticidad y la resistencia, lo que permite una evaluación precisa del rendimiento del material.
En este sentido, las ondas acústicas pueden penetrar profundamente en una muestra y ofrecer la posibilidad de sondear la mayor parte de un material deformado plásticamente. «Sin embargo, éstas suelen ser heterogéneas en el espacio, pueden ser invisibles a estos métodos si la variación de las constantes elásticas es demasiado pequeña» analiza el Dr. Vicente Salinas del Grupo de Investigación en física aplicada de la Universidad Autónoma de Chile, uno de los autores del estudio publicado en Materials Science and Engineering: A sobre plasticidad heterogénea.
El equipo de investigación demostró anteriormente que los métodos acústicos no lineales son más sensibles a los cambios en la densidad de dislocaciones que los lineales. En la actual publicación muestran que «el método no lineal de generación de segundo armónico (SHG) es lo suficientemente sensible como para detectar diferentes zonas de tensión de von Mises, así como la deformación plástica efectiva en piezas de aluminio de tamaño centimétrico» explica el investigador.
Y agrega: «esto se logra mediante mediciones ultrasónicas en una muestra que se ha sometido a una prueba de flexión de tres puntos. Debido a la tensión relativamente baja y las pequeñas deformaciones, la muestra sufre una deformación plástica por proliferación de dislocaciones. Por lo tanto, concluimos que el parámetro no lineal medido por SHG también es sensible a la densidad de dislocaciones».
Estos resultados experimentales concuerdan con los resultados numéricos obtenidos mediante el modelado del método de elementos finitos (FEM). «También respaldamos los resultados acústicos mediante mediciones de difracción de rayos X (XRD). Aunque intrusivos y menos precisos, también concuerdan con las medidas acústicas y deformaciones plásticas en simulaciones de elementos finitos» complementa el Dr. Vicente Salinas.
Este estudio es un paso más en la caracterización de materiales, ya que en trabajos anteriores solo habían sometido a esfuerzos en una sola dirección (uniaxial), pero en esta ocasión, también evidenciaron que el parámetro no lineal se modifica también cuando la deformación se realiza en múltiples direcciones de forma simultánea.
«Esa capacidad de detectar cambios en múltiples direcciones puede ser de gran utilidad en aplicaciones prácticas donde las fuerzas y deformaciones son complejas y se dan en varias direcciones al mismo tiempo. También es importante destacar la ventaja del método acústico no invasivo para caracterizar materiales, ya que puede ser aplicado sin dañar la pieza, lo que permite un monitoreo más frecuente y detección temprana de fallas» finaliza el investigador.
Espinoza, C.; Salinas, V.; Osorio, M.; Pío, E.; Aguilar, C.; Lund, F.; Mujica, N. Nonlinear acoustic characterization of heterogeneous plasticity in bent aluminium samples. Materials Science and Engineering: A, Volume 868, 2023, https://doi.org/10.1016/j.msea.2023.144759