ECAP capabilities

La semana pasada por fin pudimos arrancar con el sistema de ECAP (Equal channel angular pressing, prensado angular por canales iguales) en el laboratorio. Han sido 9 meses, desde el inicio del año, donde le dedicamos mucho tiempo al diseño de los dados y el cálculo de la presión necesaria para formar materiales de aproximadamente 800 GPa de resistencia.

Por fin, el jueves pasado, teníamos casi todo listo y pudimos comenzar con la primera prueba. Por supuesto que encontramos problemas como la expansión térmica (que aunque fue considerada, nos provocó más problemas de los esperados) y todavía nos falta el sistema de calentamiento del molde. Pero a pesar de ello, pudimos formar una pieza de sección cuadrada de aleación Al-7075.

Encontramos algunos problemas ampliamente reportados en la literatura, como la fractura del material debido a una baja temperatura de formado y todavía tenemos que encontrar el mejor lubricante. Sin embargo, los resultados son alentadores.

Con estos resultados, tenemos ahora la capacidad de procesar materiales por las dos rutas principales de deformación plástica severa: ECAP y ARB. Podemos acelerar el procesamiento y comenzar a explorar las opciones de caracterización.

Líneas de flujo a escala microestructural. La barra de escala es de 200 micrómetros

Destinar el 1% del PIB a Ciencia y Tecnología

Desde que he estado relacionado con la investigación en México, se ha manejado la cifra del 1% a del Producto Interno Bruto como el paso necesario para poder mejorar nuestra producción científica. La mayoría de la gente considera que esto es algo que puede ocurrir por decreto y que destinar fondos federales para esta actividad es relativamente simple. También había escuchado muchas veces que en los países desarrollados se invertía hasta 7% del PIB en esta área. No me quise quedar con la duda y me puse a investigar sobre los porcentajes reales y encontré varias cosas interesantes.

En realidad, casi ningún país destina más del 0.8% de su PIB a CyT desde fondos gubernamentales. Además, los países que más invierten están en el orden de 3% de su PIB. La mayor proporción de fondos destinados a la investigación en estos países viene de fuentes privadas. En el caso de Alemania y Estados Unidos, cerca del 2% del PIB destinado a CyT proviene del sector privado.

Esto cobra mucha importancia en nuestro país, en particular ahora que se acerca la elección presidencial. Los candidatos acaban de discutir en el debate sobre sus planes para mejorar la inversión en ciencia. Ninguno, me parece, tiene claro que se requiere de la participación privada para alcanzar el famoso 1%.

Estas ideas las presento con más detalle en un artículo que recientemente publicó la Revista C2. Espero que el muy somero análisis que presente arroje algo de claridad sobre este tema.

We’ve only just begun

Es muy difícil estimar el tiempo necesario para la maduración de un grupo de investigación. En particular, mi percepción es que se requiere que varios aspectos se acomoden del modo y en el tiempo correcto. El que casi con seguridad es el más importante es la existencia de recursos financieros. En México nunca ha sido fácil hacer investigación, pero me da la impresión de que al haber crecido el ecosistema la competición por recursos es cada vez más cruenta. En segundo lugar, está la atracción de talento. No quiero decir con esto que los estudiantes sean menos importantes que los recursos. Sin embargo, sin dinero no es posible ofrecer un tema de tesis que sea realizable en el tiempo otorgado por Conacyt. Además, es menos probable atraer estudiantes destacados si uno no tiene la posibilidad de adquirir los materiales necesarios para su tesis. Por último, se necesita encontrar el tema de investigación en el cual se puedan concentrar los esfuerzos. Un tema que seainteresante desde el punto de vista científico y, preferentemente, con aplicaciones reales a mediano plazo.

 

Forja al estilo antiguo. Photo by Jonathan Bean on Unsplash

En mi caso particular, he tomado la ruta larga para encontrar estas condiciones. En los primeros años de mi trabajo, me concentré en realizar proyectos vinculados con la industria que me permitieran hacerme de recursos, mientras resolvíamos problemas reales. Como resultado, tuve la oportunidad de realizar adquisiciones importantes para el desarrollo de los temas de investigación más científicos, como el sistema de deformación a escala reducida, el molino de laminación y el software de correlación digital de imágenes. Sin embargo, esto limitó mi producción de artículos indizados, poniendo en riesgo mi productividad científica. Lo anterior ocurrió porque en general lo desarrollado en el marco de un proyecto industrial no es fácilmente publicable.

Fractura de Mg ZK60 durante el rolado.

Adicionalmente a lo anterior, la formación que obtuve del doctorado es del área de caracterización de las propiedades mecánicas de materiales a nivel micromecánico. El verso de Jeremías 6:27 lo resume mejor:
I have made you a tester of metals and my people the ore, that you may observe and test their ways
(Te he vuelto un probador de metales y a mi gente el mineral, para que puedas probar y observar su desempeño)
Por este motivo, necesité de un buen tiempo para hacerme de los equipos de prueba, pero también de los equipos de procesamiento necesarios para poder producir materiales con propiedades interesantes a nivel micromecánico. Mientras esto ocurría, seguí dirigiendo tesis de maestría y doctorado en temas interesantes, pero relativamente alejados del área de deformación en la microescala.
Ahora, siete años después de haber regresado a México, veo con muchísimo gusto que en el grupo de investigación tenemos una línea de investigación bien definida, con los equipos necesarios para explorar dicha línea y con recursos humanos de muy alta calidad que están obteniendo resultados interesantes. Hay muchos artículos que están por someterse y los temas no han dejado de ser de interés industrial.
Los siguientes años serán sin duda muy interesantes. Todo es cuestión de no perder el rumbo.

Celebrando a la cristalografía

En el grupo de Microestructura, el Ing. Víctor Sánchez tiene como objetivo dentro de su tesis la implementación de un modelo de recristalización basado en autómata celular. Para conseguir este modelo, uno de los principales parámetros es la densidad de dislocaciones. Ésta puede estimarse a través del ensanchamiento de los picos de difracción de rayos X, usando métodos modificados de Williamson-Hall y Warren-Arvenbach. Este tipo de análisis es complejo y tiene como base el análisis estructural por difracción.

Este año se festeja el centenario del experimento de W.L. y W.H. Bragg que dio inició al análisis estructural a través de la difracción de rayos X. Esta técnica, aunque poco conocida fuera de los círculos académicos, es posiblemente el descubrimiento más importante del siglo pasado. El análisis por difracción de rayos X ha permitido entender la estructura y el comportamiento de varios tipos de materiales, incluyendo sólidos metálicos, pero también moléculas orgánicas complejas como el ADN y la hemoglobina.

Para festejar el centenario de este experimento, la Royal Institution preparó un video que explica las bases de la difracción. El video también puede ser visto en esta dirección.
Dentro del grupo hemos traducido la presentación y preparamos un archivo de subtítulo que ponemos a disposición en la siguiente liga: subtítulos en español, con la intención de que más gente pueda apreciar este video tan educativo y entretenido.

Watch the full video with related content here: http://www.richannel.org/celebrating-crystallography

 

Modelación matemática de procesos termomecánicos: Aplicaciones y limitaciones

La modelación matemática es una herramienta muy útil para el estudio de los procesos termomecánicos. Sin embargo, es importante no perder de vista que esta herramienta nos ofrece resultados que sólo serán útiles en la medida que las ecuaciones gobernantes, las propiedades y las condiciones iniciales y de frontera representen adecuadamente al proceso. Además, la modelación matemática es sólo una de las múltiples herramientas que pueden aplicarse al estudio de estos procesos. Por todo lo anterior, cualquier estudio de este tipo de procesos no debe limitarse al enfoque único de la modelación matemática. Habiendo dicho lo anterior, los modelos matemáticos ofrecen alternativas económicamente viables y más flexibles a la experimentación en planta.

En el grupo de Microestructura, contamos con uno de los mejores paquetes de software para la simulación de procesos termomecánicos: Deform 3D. Este sistema se basa en el método de elemento finito para discretizar las ecuaciones gobernantes. Es capaz de resolver de modo acoplado las ecuaciones de transferencia de calor y el tensor de deformación, usando propiedades dependientes de la temperatura y la velocidad de deformación que pueden ser tomadas de su amplia base de datos o definidas por el usuario. Además, cuenta con la posibilidad de usar materiales descritos por una mezcla de fases, usando la regla de la aditividad, lo cual abre la posibilidad de incluir en la simulación diversas transformaciones de fase. El cambio de volumen y consiguiente deformación causada por estos cambios de fase también son incluidos en el cálculo de las ecuaciones mecánicas gobernantes. Por los motivos anteriores, este software es usado en simulaciones de procesos de forja, rolado en caliente, tratamiento térmico, etcétera.

Animación del rolado en caliente de acero al C
Animación del rolado en caliente de acero al C

Sin embargo, como se mencionó anteriormente, para obtener resultados relevantes es necesario definir con precisión las propiedades termofísicas, mecánicas y de transformación para cada material. En el grupo de Microestructura usamos una amplia gama de técnicas de caracterización para obtener estas propiedades. En particular, contamos con un dilatómetro de temple que nos permite construir diagramas temperatura-tiempo-transformación (TTT) y enfriamiento continuo-transformación (CCT). La cinética de transformación así determinada incrementa en gran medida la utilidad del software. Respecto a las condiciones de frontera, haciendo uso del análisis térmico, tenemos la capacidad de determinar el coeficiente de transferencia de calor en la interface pieza-medio de temple.

Gracias a la conjunción de herramientas experimentales y computacionales, las habilidades del grupo han crecido de modo importante. Se ha podido utilizar el software para simular exitosamente la distorsión de componentes automotrices durante el temple. También se han desarrollado modelos del rolado en caliente de varilla a partir de materiales reciclados. Por último, el software también ha sido aplicado exitosamente en simulaciones de forja de aceros al carbono.

La experiencia adquirida por los integrantes del grupo de investigación permite ofrecer investigaciones basadas en esta herramienta de análisis, tanto para estudios aplicados a la industria, como en tesis de investigación de maestría y doctorado.