Los investigadores de la Universidad de Texas A&M están tomando una herramienta de mecanizado tradicional, el corte de metales, y están desarrollando un método 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 (a diferencia de la forma en que raspamos la mantequilla), puede no ser lo primero que se nos ocurra para estudiar las propiedades de los materiales. Sin embargo, la Dra. Dinakar Sagapuram y Hrayer Aprahamian, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Industrial y de Sistemas Wm Michael Barnes ’64, querían ver si un proceso podía predecir el comportamiento de los materiales bajo diferentes condiciones de deformación. Su equipo incluía a Harshit Chawla, estudiante de doctorado en ingeniería industrial y de sistemas, y al Dr. Shwetap Yadav, profesor asistente en el Instituto Indio de Tecnología de Hyderabad.
“Saber cómo se deforman y fallan los materiales en condiciones mecánicas adversas es vital para el estudio y el desarrollo de diversas aplicaciones tecnológicas, incluidos los procesos de fabricación, las pruebas de choque de vehículos y las pruebas de choque para aplicaciones relacionadas con la defensa”, dijo Chawla.
Debido a que el proceso de corte implica cortar metal localmente o deformarlo a niveles extremos a altas velocidades, el equipo planteó la hipótesis de que podría proporcionar información clave sobre la fuerza y la resistencia de un material a la deformación plástica o la deformación irreversible.
«La investigación abre una aplicación nueva e 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 ductilidad de un metal bajo altas velocidades de deformación supera con creces los datos experimentales. Por lo tanto, la información de propiedades obtenida mediante el astillado de metales puede probar qué teorías son correctas y cuáles son incorrectas».
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 esta información para inferir información sobre sus propiedades básicas. Sin embargo, un gran desafío radica en obtener propiedades materiales intrínsecas a partir de datos de imágenes visuales de alta velocidad. Si bien el corte de metales no es el área de especialización de Abrahamian, la asociación con Sagapuram ha generado nuevas ideas y tecnologías digitales.
“Un aspecto importante de esta investigación es la creación de técnicas de optimización matemática que aseguren la optimización global y, por lo tanto, la mejor solución posible”, dijo Abrahamian. «De lo contrario, es posible que obtenga soluciones que parezcan satisfactorias, pero que no describan con precisión el material».
Las ventajas de cortar metales sobre los métodos de prueba que se usan hoy en día son que son simples y pueden producir una gama de condiciones que son difíciles de lograr usando pruebas convencionales pero que son importantes desde el punto de vista de varias aplicaciones de ingeniería.
«Estamos entusiasmados con la perspectiva de utilizar el corte como un medio conveniente para caracterizar los materiales que ahora se obtienen con gran dificultad», 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 Actas de la Royal Society a Journal, con otro artículo sobre Tecnologías Numéricas en los Negocios. 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 Alamos, con el apoyo de la Oficina de Laboratorios Nacionales del Sistema Universitario Texas A&M, para comparar sus datos con plataformas de prueba de resistencia dinámica de materiales más establecidas disponibles en el laboratorio. Estos estudios contribuirán a la validación del método y a verificar si diferentes experimentos sobre el mismo mineral proporcionan datos consistentes.
Abrahamian dijo que su trabajo para desarrollar técnicas matemáticas también tiene aplicaciones potenciales fuera de las propiedades de los materiales.
«Mi grupo está extendiendo algunos de estos algoritmos y tecnologías al campo de la atención médica, donde usamos herramientas de optimización global para crear estrategias sólidas de detección», dijo Abrahamian. «Esto podría usarse para prevenir futuros brotes y mejorar la detección de enfermedades infecciosas en la población».
Chawla dijo que la investigación le permitió trabajar en un campo que lo había intrigado durante años.
“Fue muy interesante estudiar la mecánica del proceso de corte de metales utilizando técnicas experimentales innovadoras”, dijo Chawla. «Fue fantástico poder observar de cerca la deformación del material durante el corte, especialmente a nivel microscópico a altas velocidades de fotogramas».
más información:
Determinación de parámetros de plasticidad de metal de gran deformación utilizando mediciones in situ del flujo de plástico posterior a la cuña, Actas de la Royal Society A: Ciencias Matemáticas y Físicas (2023). DOI: 10.1098/rspa.2023.0061. royalsocietypublishing.org/doi….1098/rspa.2023.0061
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