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experimentos de deformación revelan información sobre los cambios de material durante la compresión de choque

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experimentos de deformación revelan información sobre los cambios de material durante la compresión de choque

2016-09-05


esta imagen muestra la configuración experimental, en la cual una muestra de tántalo se carga con un rayo láser y es sondeada por un rayo de rayos X. los patrones de difracción, recogidos por una serie de detectores, muestran que el material se hermana. la ilustración de fondo muestra una estructura de celosía que ha creado gemelos. crédito: ryan chen / llnl


por primera vez, los científicos han informado experimentos de difracción in situ que miden el hermanamiento de deformación en el nivel reticular durante la compresión de choque. los resultados fueron publicados recientemente en la naturaleza por un equipo de investigadores del laboratorio nacional lawrence livermore y colaboradores de la universidad de oxford, el laboratorio nacional de los alamos, la universidad de york y el laboratorio nacional de acelerador slac.


La compresión de choque es un área de estudio desafiante, ya que combina condiciones extremas, como altas presiones y temperaturas, con escalas de tiempo ultrarrápidas. para simplificar el problema, los científicos a menudo suponen que los materiales sólidos se comportan como un fluido, fluyen y cambian su forma (plasticidad) sin resistencia. sin embargo, como un sólido, la mayoría de los materiales también retienen una estructura de celosía. a medida que un material fluye, cambia de forma, de alguna manera el enrejado debe cambiar también manteniendo al mismo tiempo el patrón regular del enrejado. el estudio de la plasticidad en un nivel más fundamental se basa entonces en la comprensión de cómo está cambiando el enrejado mientras un material se está deformando.


dislocación-deslizamiento (donde las dislocaciones de celosía se generan y se mueven) y hermanamiento (donde los subgranos se forman con una retícula de espejo) son los mecanismos básicos de la deformación plástica. a pesar de su importancia fundamental para la plasticidad, el diagnóstico del mecanismo activo in situ (durante el choque) ha sido esquivo. investigaciones previas han estudiado el material después del hecho (en \"recuperación\"), lo que introduce factores complicados adicionales y ha llevado a resultados contradictorios.


\"Los experimentos de difracción in situ han existido durante algunas décadas, pero han ganado notoriedad recientemente ya que los láseres de alta potencia y los láseres de electrones libres de rayos X han hecho que las mediciones estén más ampliamente disponibles, sean más sensibles y puedan llegar a condiciones más extremas\". dijo Chris Wehrenberg, primer físico y autor principal del artículo. \"Nuestro trabajo destaca un área de estudio sin explotar, la distribución de la señal dentro de los anillos de difracción, que puede proporcionar información importante\".


los experimentos del equipo se llevaron a cabo en la nueva estación de extremo de condiciones extremas, ubicada en la fuente de luz coherente linac de slac, que representa la vanguardia en una gran inversión mundial en instalaciones que pueden combinar la difracción in situ con alta presión y alta técnicas de velocidad de deformación


\"En estos experimentos, se lanza una onda de choque con un láser, donde un chorro de plasma calentado por láser crea una presión opuesta en la muestra y prueba el estado de la muestra con un haz de rayos X\", dijo Wehrenberg. \"Los rayos X se dispersarán fuera de la muestra en ángulos específicos, formando anillos de difracción, y el ángulo de dispersión proporcionará información sobre la estructura del material\".


a pesar de la creciente popularidad de los experimentos de difracción in situ, la mayoría se centra en el ángulo de dispersión y no aborda la distribución de la señal dentro de un anillo de difracción. aunque este enfoque puede revelar cuándo un material cambia de fase, no revelará cómo se está comportando un material fuera de una transición de fase.


al analizar los cambios en la distribución de la señal dentro de las líneas, el equipo pudo detectar cambios en la orientación de la red, o en la textura, y mostrar si un material se estaba gemelando o deslizándose. Además, el equipo no solo pudo demostrar si la muestra-tántalo, un metal de alta densidad, se gemelos o se desliza cuando se comprime el choque, pero fue capaz de demostrar esto en la mayor parte del rango completo de presiones de choque.


\"Llnl está profundamente involucrado en el modelado de materiales como parte de la misión de custodia de reservas basada en la ciencia y tiene esfuerzos programáticos para modelar tántalo a nivel molecular, así como modelos de plasticidad\", dijo Wehrenberg. \"Estos resultados son directamente aplicables a ambos esfuerzos, proporcionando datos con los que los modelos se pueden comparar directamente para la evaluación comparativa o la validación. en el futuro, pla n para coordinar estos esfuerzos experimentales con experimentos relacionados en la instalación nacional de ignición de ILNL que estudian la plasticidad a presiones aún mayores \".


mientras que las técnicas para analizar datos de difracción de rayos X para cambios en la textura y microestructura de un material se han practicado en experimentos cuasi-estáticos, son nuevas en el campo de los experimentos de choque. esta combinación de técnicas es relevante para muchos otros campos. por ejemplo, las características de deformación planar en el cuarzo causadas por el gemelo y la microfractura son una indicación común de los sitios de impacto de meteoritos, y estas características también pueden afectar la magnetización de otros materiales geológicos. de manera similar, el hermanamiento juega un papel crucial en el comportamiento de autoafilado de los penetradores balísticos y se ha relacionado con una mayor ductilidad en cerámicas de alto rendimiento para aplicaciones de armadura. entender la plasticidad de alta velocidad es fundamental para endurecer el hardware espacial de los impactos de polvo de hipervelocidad e incluso tiene implicaciones para la formación de nubes de polvo interestelar.


fuente: phys


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