Sangwon Lee, un estudiante doctoral de ingeniería mecánica en UM, prepara una muestra de aleación de magnesio para la microscopía de rayos X de campo oscuro. Crédito: Ashley Bucsek, Michigan Engineering.
En un estudio que avanza las aleaciones de magnesio livianas para vehículos más eficientes en combustible y asequibles, los investigadores de la Universidad de Michigan utilizaron radiografías potentes para capturar las primeras vistas 3D de la formación de estructuras microscópicas que pueden ayudar al material a absorber el estrés sin romperse.
Los resultados, publicado En la revista Science, mejorará la comprensión de la compleja reacción de la aleación al estrés mecánico. Las aleaciones de magnesio pesan 30% menos que el aluminio. Hoy, algunos fabricantes de automóviles han comenzado a usarlos para piezas que no contienen carga, pero podrían tener una adopción mucho más amplia si su comportamiento bajo estrés se puede optimizar.
La estructura cristalina de cada metal, la disposición de los átomos repitiendo y repetidas altamente ordenadas, influye en cómo responde al estrés. El acero y el aluminio, los metales más utilizados en los automóviles, pueden estirarse cuando se tiran en cualquier dirección.
Hacen esto utilizando lo que se conoce como sistemas de deslizamiento, en los que los átomos permanecen en su fila pero cambian en la pila para desalinar las columnas. Slipping es como un mazo de cartas en una mesa donde la carta inferior permanece en su lugar, pero un empuje en un lado hace que toda la pila se incline a medida que cada carta se mueve un poco más allá de la que está debajo de ella.
La estructura cristalina de magnesio solo permite que los átomos se deslicen fácilmente en un puñado de direcciones. Cuando se detienen en las direcciones, no puede deslizarse, las aleaciones de magnesio crean “gemelos de deformación” — Secciones de imagen de mirror de la estructura cristalina-al cambiar la orientación de los átomos en un área determinada.
Esto se puede considerar como un pliegue de acordeón en una hoja de papel, con el plano saliendo del pliegue formando la imagen del espejo en ángulo.
El hermanamiento por deformación permite que el material se estire en más direcciones sin romperse, creando ductilidad, pero en un cierto punto demasiado hermanamiento puede crear una concentración de defectos que causan que se formen grietas.
“Nos sorprendió encontrar a los tres gemelos formados en uniones triples, donde tres cristales se tocan, y los defectos siempre se formaron donde el gemelo toca otro cristal. Esta consistencia puede ayudarnos a comprender las microestructuras gemelas para optimizar la vida útil del material”, dijo Ashley Bucsek, profesora asistente de UM de ingeniería mecánica de ingeniería e ciencia de materiales y ingeniería y autor correspondiente del estudio.
Una potente técnica de microscopía, la microscopía de rayos X de campo oscuro, capturó las primeras imágenes 3D de un solo grano de cristal dentro de una aleación de magnesio que forma gemelos, una microestructura que ayuda al material a estirarse. De izquierda a derecha, los diagramas 3D muestran el grano de cristal después de 0.6 megapascales (MPa), 30 MPa y 45 MPa de resistencia a la tracción estiraron la aleación. El polígono verde transparente es el grano principal. Los aviones opacos rojos, verdes y amarillos son tres gemelos de deformación que se formaron. Los Squiggles negros denotan límites especiales de grano llamados cruces triples. Crédito: Lee et al., 2025.
Antes del experimento, los investigadores utilizaron un escáner CT a pequeña escala para mapear cómo los granos de cristal estaban orientados dentro de una muestra de aleación de magnesio. A partir de aquí, seleccionaron un grano específico de interés con una buena orientación para seguir el proceso de hermanamiento.
Aprovecharon la instalación de radiación de sincrotrón europeo en Francia, una de las pocas instalaciones en el mundo capaz de generar radiografías lo suficientemente potentes como para imaginar el grano de interés a una resolución ultra alta sin destruir la muestra.
La técnica, llamada microscopía de rayos X de campo oscuro, o DXFM para abreviar, acelerando partículas cargadas alrededor del sincrotrón y dirigiendo los rayos X brillantes que emiten en la aleación. Los rayos X difractan a través de los granos de cristal en diferentes ángulos dependiendo de su orientación.
La técnica de “campo oscuro” captura selectivamente los rayos X difractados en un ángulo específico, en este caso, el ángulo asociado con el grano de interés seleccionado previamente, y magnifica la imagen de rayos X difractados utilizando una serie de lentes.
Aplicaron tres cargas típicas de la parte del automóvil que estirarían la aleación (0.6 megapascales (MPA), una unidad de resistencia a la tracción, 30 MPa y 45 MPa) que lo imaginan la muestra entre cada uno.
“Las imágenes de rayos X del espacio real nos dieron un asiento de primera fila para observar el hermanamiento a medida que se aplicaba el estrés. Literalmente vimos aparecer al gemelo y evolucionar con nuestros propios ojos por primera vez”, dijo Sangwon Lee, estudiante doctoral de ingeniería mecánica y autor principal del estudio.
Las imágenes de alta resolución son el primer paso para optimizar la ductilidad del material sin comprometer la estabilidad. Como siguiente paso, el equipo de investigación planea capturar cambios en tiempo real.
Investigadores del Centro de Radiación de Sincrotrón Europeo, Laboratorio Nacional de Los Alamos y el Instituto Nacional de Normas y Tecnología contribuyeron al estudio.
Más información: Sangwon Lee et al, nucleación tridimensional y crecimiento de gemelos de deformación en magnesio, ciencia (2025). Doi: 10.1126/science.adv3460
Proporcionado por la Universidad de Michigan
Cita: Primera mirada en 3D en el comportamiento de ‘hermanamiento’ en la aleación de magnesio liviano (2025, 8 de agosto) Recuperado el 8 de agosto de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-08-3d-strength- boosting-behavior.htm
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