Investigadores del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Facultad de Ingeniería de Granger han identificado el primer mecanismo físico que explica cómo los campos magnéticos ralentizan el movimiento de los átomos de carbono a través del hierro.
Publicado en carta de revisión físicaEl trabajo arroja nueva luz sobre cómo el carbono afecta la estructura interna del grano del acero, un factor clave en su resistencia y rendimiento.
¿Por qué el procesamiento del acero consume tanta energía?
El acero, elaborado a partir de una combinación de hierro y carbono, es uno de los materiales de construcción más utilizados en el mundo. Su estructura interna requiere temperaturas extremadamente altas para formarse, razón por la cual la producción de acero consume tanta energía. Hace décadas, los científicos notaron que algunos aceros funcionaban mejor cuando se trataban térmicamente en presencia de un campo magnético, pero en ese momento las explicaciones eran en gran medida teóricas. Sin una comprensión física clara, los ingenieros no tenían una forma confiable de predecir o controlar el efecto.
“Las explicaciones anteriores para este comportamiento eran, en el mejor de los casos, anecdóticas”, dijo Dallas Trinkle, profesor Ivan Rasheff de Ciencia e Ingeniería de Materiales y autor principal del artículo. “Cuando diseñas un elemento, tienes que poder decir: ‘Si agrego este elemento, así es como (el elemento) cambiará’. Y no entendíamos cómo estaba pasando; No había nada profético en ello”.
Para abordar esta pregunta de larga data, Trinkle aplicó su experiencia en modelado de difusión como parte de un equipo de investigación apoyado por la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del Departamento de Energía de EE. UU. En las aleaciones de hierro y carbono, como el acero, los átomos de carbono ocupan la pequeña “jaula” octaédrica formada por los átomos de hierro circundantes. Al simular cómo los átomos de carbono se mueven de una jaula a otra, el equipo pudo identificar que los campos magnéticos ralentizan ese movimiento.
Simulación de magnetismo y movimiento nuclear.
Utilizando un método computacional conocido como promedio de espacio de espín, Trinkle realizó simulaciones que tenían en cuenta tanto la temperatura como los campos magnéticos. Estas simulaciones rastrean cómo se alinean los espines magnéticos de los átomos de hierro en diferentes condiciones. Cuando los polos norte y sur de un átomo de hierro se alinean, el átomo se vuelve ferromagnético y fuertemente magnetizado. Cuando no están alineados, los átomos son paramagnéticos y están débilmente magnetizados.
Los resultados muestran que los espines alineados aumentan la barrera energética que los átomos de carbono deben superar para moverse entre jaulas. A medida que aumenta el orden magnético, la difusión del carbono se ralentiza, lo que proporciona una explicación física clara del efecto observado desde hace mucho tiempo.
“Se necesita un campo muy fuerte para cambiar los momentos magnéticos”, dijo Trinkle. “Si estás cerca de la temperatura de Curie, el campo magnético tiene un efecto más fuerte… Cuando los espines son más aleatorios, el octaedro (jaula) en realidad se vuelve más isotrópico: todo se abre y tiene más espacio para moverse”.
Implicaciones para fabricar acero más limpio e inteligente
Trinkle cree que los hallazgos podrían ayudar a reducir la energía necesaria para procesar acero, reducir los costos de producción y reducir el CO2.2 Además del acero dúctil, los mismos principios se pueden aplicar a otros materiales, lo que permite a los científicos predecir cuantitativamente cómo los campos magnéticos afectan la expansión nuclear de manera más amplia.
“Queríamos poder hacer cálculos reales, no sólo cualitativos sino cuantitativos para mostrar el campo efectivo y la temperatura. Ahora que tenemos esta información, podemos empezar a pensar más en aleaciones de ingeniería. Podría ser elegir aleaciones que ya existen o incluso pensar en químicas de aleaciones que aún no estamos usando y que podrían ser muy ventajosas”.
Dallas Trinkle es profesor en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Illinois Granger Engineering y está afiliado al Laboratorio de Investigación de Materiales. Ocupa el cargo de Cátedra Ivan Rasheff.
