Estudio sobre pruebas de materiales: detección de daños en acero no magnético mediante magnetismo

Los ingenieros de Kaiserslautern, el profesor Tilmann Beck (izquierda), el doctorando Shayan Deldar (en primer plano) y el Dr. Marek Smaga, han desarrollado el procedimiento junto con colegas de Mainz. (Foto: TUK/Koziel)

Desgaste, corrosión, fatiga del material – estas manifestaciones de desgaste son comunes a la mayoría de los materiales. Por ello, es aún más importante detectar los daños de forma temprana, preferiblemente ya a nivel microscópico. Para ello, a menudo se utilizan métodos de inspección magnética. Hasta ahora, esto era imposible en acero no magnético. Investigadores de Kaiserslautern y Mainz han desarrollado un método en el que aplican una capa magnética delgada sobre el acero. De esta forma, los cambios en la microestructura pueden detectarse mediante alteraciones en los efectos magnéticos. También se pueden inspeccionar materiales como el aluminio. El estudio ha sido publicado en la revista especializada "Journal of Magnetism and Magnetic Materials".

El acero es uno de los materiales más utilizados. Se emplea en muchas variantes, como acero inoxidable resistente a la corrosión, acero de alta resistencia para tratamientos o acero de construcción económico. Los aceros pueden ser magnéticos o no magnéticos. Se utilizan en cubiertos, en componentes de vehículos o en vigas de edificios y puentes. En ocasiones, el acero está expuesto a altas temperaturas o tensiones. "En estos casos, pueden producirse cambios en la microestructura, grietas o fallos en los componentes", explica el Dr. Marek Smaga, que investiga en el departamento de Ciencia de Materiales de la Universidad Tecnológica de Kaiserslautern (TUK). Los expertos hablan, en este contexto, de fatiga del material. Tales daños son inicialmente visibles solo a nivel microscópico. Sin embargo, hasta ahora no era posible detectar cambios en acero no magnético en esta área mediante métodos de inspección magnética.

Precisamente en eso trabajan ingenieros de la TUK y físicos de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz (JGU), presentando en su estudio actual una solución. Lo especial: aprovechan los efectos magnéticos, aunque se trate de un material no magnético. "Con acero magnético, se pueden detectar cambios estructurales tempranos de esta forma", explica el doctorando de Kaiserslautern Shayan Deldar. "Incluso deformaciones muy pequeñas alteran las propiedades magnéticas. Esto puede medirse con tecnología de sensores especializados".

Los investigadores han recubierto acero no magnético con diferentes capas magnéticas delgadas, cada una de 20 nanómetros, hechas de Terfenol-D, una aleación de los elementos químicos Terbium, Hierro y Disprosio, o de Permalloy, una aleación de Níquel y Hierro. Para comprobar si las deformaciones del acero en el nivel microscópico pueden detectarse, los investigadores utilizaron un microscopio Kerr. "Aquí se emplea el llamado efecto Kerr", explica Smaga, "que permite representar las microestructuras magnéticas, las denominadas dominios, mediante la rotación de la dirección de polarización de la luz".

Los científicos examinaron pequeñas placas de acero recubiertas magnéticamente, de unos pocos milímetros de tamaño, que previamente habían sido sometidas a una carga mecánica. "Hemos observado que se produce un cambio característico en la estructura de dominios magnéticos", explica el profesor particular Dr. Martin Jourdan del Instituto de Física de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz. "Las deformaciones microscópicas en el acero no magnético provocan que cambie la dirección de la magnetización en la capa delgada".

En comparación con los métodos de inspección convencionales, esta técnica ofrece la ventaja de detectar signos de fatiga mucho antes a nivel microscópico. El método de los investigadores podría utilizarse en futuras técnicas de prueba. Además, no solo es interesante para el acero no magnético, sino que otros materiales como aluminio, titanio y ciertos compuestos también podrían recubrirse con una capa similar.

Los trabajos se llevaron a cabo en el marco del programa de investigación "Spin+X – Spin en su entorno colectivo", que está dirigido por la TU Kaiserslautern y la JGU. Aquí, equipos de investigación de química, física, ingeniería mecánica y tecnología de procesos trabajan de forma interdisciplinaria en efectos magnéticos que deben traducirse en aplicaciones. El enfoque principal es el spin. En términos físicos, el spin describe el momento angular cuántico intrínseco de una partícula cuántica, como un electrón o un protón. Es la base de muchos fenómenos magnéticos.

El estudio fue publicado en la prestigiosa revista "Journal of Magnetism and Magnetic Materials": "Detección de deformaciones en acero no magnético mediante microscopía Kerr de capas magnéticas trazadoras". M. Jourdan, M.M.B. Krämer, M. Kläui, H.-J. Elmers, S. Deldar, M. Smaga, T. Beck.