La duttilità dei metalli è una caratteristica fondamentale per la loro applicazione in diversi settori industriali, come quello aerospaziale ed energetico. La capacità di un materiale di resistere a sollecitazioni fisiche senza rompersi o incrinarsi è essenziale per garantire la sicurezza e l’affidabilità delle strutture in cui viene impiegato. Tuttavia, prevedere la duttilità dei metalli è sempre stata una sfida per gli scienziati, a causa della mancanza di metodi robusti e della necessità di sperimentazioni costose e dispendiose in termini di tempo.
Un gruppo di ricercatori del Laboratorio Nazionale di Ames e della Texas A&M University ha sviluppato un nuovo metodo basato sulla meccanica quantistica per prevedere la duttilità dei metalli. Questo approccio innovativo si è dimostrato particolarmente efficace per i materiali utilizzati in condizioni ad alta temperatura, come le leghe refrattarie multi-principio-elemento (RMPEA), che spesso mancano della duttilità necessaria per applicazioni potenziali in ambito aerospaziale, reattori a fusione e turbine terrestri.
La nuova analisi incorpora la distorsione atomica locale nel determinare se un materiale è fragile o duttile, espandendo le capacità degli approcci attuali. “Gli approcci attuali non sono molto efficienti nel distinguere tra sistemi duttili e fragili per piccoli cambiamenti nella composizione. Ma il nuovo approccio può catturare tali dettagli non banali, perché ora abbiamo aggiunto una caratteristica meccanica quantistica nell’approccio che mancava”, ha spiegato Prashant Singh, scienziato del Laboratorio di Ames e leader degli sforzi di progettazione teorica.
Un altro vantaggio di questo nuovo metodo di test ad alto rendimento è la sua efficienza. Singh ha spiegato che può testare migliaia di materiali rapidamente. La velocità e la capacità rendono possibile prevedere quali combinazioni di materiali valga la pena portare al livello sperimentale, minimizzando il tempo e le risorse necessarie per scoprire questi materiali attraverso metodi sperimentali.
Per determinare l’efficacia del loro test di duttilità, Gaoyuan Ouyang, scienziato del Laboratorio di Ames, ha guidato gli sforzi sperimentali del team. Hanno eseguito test di validazione su un insieme di RMPEA previste. Attraverso i loro test di validazione, il team ha scoperto che “I metalli duttili previsti hanno subito una significativa deformazione sotto elevato stress, mentre il metallo fragile si è incrinato sotto carichi simili, confermando la robustezza del nuovo metodo meccanico quantistico”, ha detto Ouyang.
Questa ricerca è ulteriormente discussa nel documento “A ductility metric for refractory-based multi-principal-element alloys”, scritto da Prashant Singh, Brent Vela, Gaoyuan Ouyang, Nicolas Argibay, Jun Cui, Raymundo Arroyave e Duane D. Johnson, e pubblicato su Acta Materialia.