Nuevos hallazgos sobre cómo se fragmentan los materiales metálicos

Un equipo internacional con participación de la Universidad Carlos III de Madrid ha desarrolado una nueva teoría para explicar la fractura dinámica de los materiales metálicos porosos. El estudio indica que el mecanismo clave que controla la fragmentación no se debe a la porosidad, como hasta ahora se creía, sino a la inercia. El hallazgo se podrá aplicar en la mejora del diseño de estructuras para el sector aeroespacial, la seguridad civil y el transporte, según los autores.

Investigadores de la Universidad Carlos III de Madrid (UC3M), de la Universidad Texas A&M (EEUU) y del Instituto Tecnológico Israelí han desarrollado una nueva teoría para explicar la fractura dinámica de los materiales metálicos porosos. Los científicos han analizado cuáles son las causas de la fragmentación de metales dúctiles, es decir, aquellos que sufren grandes deformaciones permanentes cuando se les somete a carga elevada (acero, aluminio, tantalio…).

En un principio se pensaba que la razón de la fragmentación estaba en los defectos (poros) del propio material. Lo que esta investigación sugiere es que el mecanismo clave que controla la fragmentación dinámica pudiera no ser la porosidad (los defectos), sino en la inercia. “Hemos desarrollado un modelo analítico, validado con simulaciones numéricas, que arroja luz sobre los mecanismos que gobiernan la fragmentación de materiales metálicos porosos usados en la industria aeroespacial y de la seguridad civil”, indica uno de los autores del estudio, Komi Espoir N'Souglo, que trabaja en esta línea de investigación en la UC3M en el marco del proyecto de investigación europeo Outcome. “Este trabajo proporciona un nuevo enfoque para analizar y diseñar estructuras para las cuales es importante predecir y controlar el tamaño de los fragmentos que se forman cuando un material metálico poroso se fractura bajo carga de impacto”, añade el coordinador del proyecto Outcome, José Antonio Rodríguez, del departamento de Mecánica en Medios Continuos y Teoría de Estructuras, coautor del estudio.

Conocer los mecanismos que controlan la fragmentación de un material empleado en la construcción de estructuras de protección implica poder mejorar los procesos de fabricación de las mismas, reducir los costes asociados (económicos, ambientales…) y mejorar la calidad de los productos. Por ejemplo, en el caso de estructuras de protección en instalaciones industriales como las centrales nucleares, es muy importante que las estructuras sean capaces de soportar cargas extremas como explosiones e impactos sin que se produzca su fragmentación.

“Además, estos conocimientos también podrán aplicarse para diseñar estructuras que se fragmenten fácilmente. Por ejemplo, en el caso de la basura espacial que a veces cae en la Tierra, lo que se busca es que se produzca su fragmentación durante la reentrada atmosférica para que las estructuras que llegan a la superficie terrestre no sean de gran tamaño”, explican los investigadores.

Outcome es un proyecto del Programa Marco de Investigación, Desarrollo Tecnológico e Innovación de la Unión Europea. Este consorcio de investigación coordinado por la UC3M, y formado por pymes y universidades de España, Francia e Israel, pretende formar investigadores desarrollando tesis doctorales en el análisis de elementos estructurales sometidos a condiciones de carga extremas, como ocurre en el ámbito aeroespacial. Este tipo de estructuras, como los elementos mecánicos de un satélite, debe diseñarse para soportar temperaturas extremas, que pueden variar cientos de grados en períodos cortos de tiempo, y cargas mecánicas extremas como impactos de hipervelocidad.