Científicos del Instituto Politécnico Nacional (IPN) analizan el comportamiento de aleaciones de aluminio sometidas a cargas repetidas para determinar su vida útil y evitar fallas prematuras en componentes utilizados en diversas industrias.

En la vida cotidiana, muchas de las estructuras y dispositivos que utilizamos dependen de materiales que deben soportar esfuerzos constantes durante largos periodos de tiempo. Puentes, vehículos, maquinaria industrial o incluso trenes están expuestos a cargas repetitivas que, con el paso del tiempo, pueden provocar un desgaste progresivo. Comprender cómo ocurre ese proceso es fundamental para prevenir fallas estructurales y garantizar la seguridad.

Este es el objetivo de una línea de investigación que se desarrolla en el Centro de Investigación e Innovación Tecnológica (Ciitec), donde científicos estudian el fenómeno conocido como fatiga de materiales, particularmente en aleaciones de aluminio utilizadas en distintos sectores industriales. El proyecto lo encabeza el director del centro, Ricardo Rafael Ambriz Rojas, cuya área de trabajo se centra en el comportamiento mecánico y la unión de materiales metálicos, así como su desempeño cuando se integran a estructuras o componentes sometidos a condiciones exigentes.

“El estudio de la fatiga es un área de investigación que desarrollamos de manera continua. Mi formación tiene que ver con el estudio de aleaciones metálicas, particularmente aleaciones de aluminio y su unión a través de soldadura”, explicó el doctor en entrevista para la Agencia Informativa Conversus (AIC) . Las aleaciones de aluminio son ampliamente utilizadas en diversas industrias debido a sus propiedades como materiales ligeros, resistentes a la corrosión y con una resistencia-peso favorable. Estas características los convierten en una opción ideal para aplicaciones en el sector automotriz, aeronáutico o ferroviario, entre otros.

Sin embargo, como ocurre con muchos materiales, su desempeño puede verse afectado cuando están sometidos a cargas cíclicas, es decir, esfuerzos que se repiten continuamente durante su vida útil. Con el tiempo, este proceso puede generar pequeñas grietas internas que eventualmente provocan una fractura. De acuerdo con Ricardo Rafael, entender este fenómeno resulta clave para prevenir accidentes y fallas estructurales.

“El interés es determinar cuáles son las condiciones seguras para que estos materiales puedan utilizarse, tengan una vida útil adecuada y evitar problemáticas relacionadas con riesgos para las personas”, señaló Ambriz Rojas.

CUANDO LOS MATERIALES TAMBIÉN SE “CANSAN”

El término fatiga de materiales puede parecer abstracto, pero se puede explicar con una analogía sencilla.

“La fatiga puede entenderse como un daño acumulado que ocurre cuando un material está sometido a cargas repetidas. Algo similar cuando las personas nos sentimos cansadas después de realizar un esfuerzo continuo; los materiales también acumulan ese daño y eventualmente pueden fallar”, expuso el especialista politécnico.

Este proceso puede tardar años en manifestarse y muchas veces ocurre de forma silenciosa. A simple vista, una pieza metálica puede parecer intacta, pero en su interior pueden existir microgrietas que crecen gradualmente hasta provocar una ruptura repentina.

Por ello, conocer cuánto tiempo puede resistir un material bajo determinadas condiciones es una información esencial para el diseño de componentes y estructuras seguras.

PRUEBAS QUE SIMULAN CONDICIONES REALES

Para analizar el comportamiento de los materiales, los investigadores realizan diversas pruebas en laboratorio. Algunas de ellas son comunes en el control de calidad industrial, mientras que otras requieren de equipos especializados.

Entre los ensayos más conocidos se encuentran las pruebas de dureza, que consisten en medir la resistencia de un material a la penetración de otro cuerpo, sin embargo, el estudio de la fatiga implica evaluaciones más complejas.

“Utilizamos equipos servohidráulicos que nos permiten someter a los materiales a ciclos de carga controlados. De esta forma podemos observar cómo se comportan a lo largo del tiempo y determinar cuándo comienzan a aparecer los daños”, detalló el investigador.

Estos equipos reproducen condiciones similares a las que enfrentaría una pieza en servicio real, como las vibraciones o esfuerzos repetitivos que experimenta un componente automotriz o una estructura metálica.

Además, los especialistas combinan los resultados experimentales con herramientas computacionales y modelos matemáticos, lo que permite analizar con mayor precisión los procesos de deformación y deterioro de los materiales.

“Siempre hay preguntas científicas por responder. El comportamiento mecánico y la unión de materiales es un campo muy amplio y multidisciplinario”, dijo el doctor.

ALEACIONES AVANZADAS Y VIDA ÚTIL REMANENTE

Actualmente, el equipo de investigación del centro se enfoca en el estudio de aleaciones de aluminio endurecidas mediante tratamiento de precipitación, un proceso conocido también como envejecimiento artificial.

Este tratamiento modifica la microestructura interna del material para mejorar su resistencia mecánica. Sin embargo, también puede influir en su comportamiento frente a la fatiga.

Los científicos analizan primero las propiedades iniciales del material y posteriormente evalúan cómo cambian cuando se realizan uniones mediante soldadura o cuando las piezas han sido sometidas a ciclos de carga repetidos.

Uno de los aspectos clave del estudio es determinar la vida remanente de los materiales, es decir, cuánto tiempo pueden seguir funcionando después de haber sido sometidos a ciertas condiciones de uso.

“En el laboratorio determinamos cuál sería la vida que le resta a estos materiales cuando ya han estado sometidos a cargas cíclicas. Esto nos permite estimar cuánto tiempo pueden seguir utilizándose de forma segura”, indicó.

Esta información resulta especialmente útil en sectores donde los componentes metálicos deben mantenerse en operación durante largos periodos, como la industria del transporte o la infraestructura civil.

APLICACIONES EN MÚLTIPLES INDUSTRIAS

Aunque el estudio se centra en aleaciones de aluminio, los resultados de la investigación tienen implicaciones más amplias.

Los conocimientos obtenidos pueden aplicarse en distintos campos, desde la fabricación de vehículos hasta la construcción de estructuras metálicas.

“Las aplicaciones son muy variadas. Conocer las propiedades de los materiales bajo condiciones de fatiga permite establecer con mayor certeza el periodo de vida que pueden tener los componentes”, aseveró.

Por ejemplo, en la industria automotriz, los componentes metálicos de los vehículos están sometidos a vibraciones constantes y esfuerzos repetitivos durante su operación. Un conocimiento preciso sobre su comportamiento puede ayudar a mejorar su diseño y aumentar su durabilidad.

En el caso de la industria aeronáutica, donde el peso y la resistencia de los materiales son factores críticos, el aluminio y sus aleaciones juegan un papel fundamental. Determinar su desempeño frente a la fatiga es clave para garantizar la seguridad de las aeronaves.

El estudio también tiene relevancia en el sector de la infraestructura civil, donde materiales como el acero y el aluminio se utilizan en la construcción de puentes, edificios y otras estructuras que deben resistir cargas durante décadas.

HACIA NUEVAS SOLUCIONES TECNOLÓGICAS

Además del análisis del comportamiento de los materiales, el equipo del centro politécnico trabaja en el desarrollo de técnicas que permitan extender la vida útil de componentes dañados. De acuerdo con el investigador, algunas de estas metodologías se encuentran actualmente en proceso de solicitud de patente.

Estas técnicas buscan intervenir en materiales que ya presentan grietas o daños para detener su crecimiento y prolongar el tiempo de servicio de la pieza.

Este tipo de soluciones podría representar beneficios significativos para la industria, ya que permitiría reducir costos de mantenimiento y reemplazo, además de mejorar la seguridad de las estructuras.

INVESTIGACIÓN Y FORMACIÓN DE ESPECIALISTAS

El trabajo que se realiza no solo contribuye al desarrollo tecnológico, sino también a la formación de recursos humanos especializados.

El centro cuenta con programas de Maestría y Doctorado en Tecnología Avanzada, donde estudiantes participan en proyectos de investigación y adquieren experiencia en laboratorios especializados.

Para el funcionario, esta labor formativa es uno de los pilares del trabajo académico. “Estos proyectos también permiten que los jóvenes se formen y puedan integrarse posteriormente al campo laboral”, apuntó.

A través de la vinculación con empresas y organismos gubernamentales, los proyectos desarrollados en el Ciitec también buscan responder a necesidades concretas del sector productivo.