Cientistas do Laborata³rio Nacional de Oak Ridge, do Departamento de Energia, e da Universidade do Tennessee, Knoxville, descobriram uma maneira de aumentar simultaneamente a resistência e a ductilidade de uma liga, introduzindo minaºsculos precipitados em sua matriz e ajustando seu tamanho e espaa§amento. Os precipitados são sãolidos que se separam da mistura de metal a  medida que a liga esfria. Os resultados, publicados na revista Nature , abrira£o novos caminhos para o avanço de materiais estruturais.

A ductilidade éuma medida da capacidade de um material de sofrer deformação permanente sem quebrar. Ele determina, entre outras coisas, quanto um material pode alongar antes de se fraturar e se esse fraturamento serágracioso ou catastra³fico. Quanto maior a resistência e a ductilidade, mais resistente éo material.

"Um santo graal de materiais estruturais hámuito tempo, como vocêaumenta simultaneamente a resistência e a ductilidade?" disse Easo George, principal investigador do estudo e Presidente do Governador para Teoria e Desenvolvimento Avana§ado de Ligas da ORNL e UT. "Derrotar o equila­brio entre resistência e ductilidade permitira¡ uma nova geração de materiais leves, fortes e tolerantes a danos."

Se os materiais estruturais pudessem se tornar mais fortes e daºcteis, componentes de carros, aviaµes, usinas de energia, edifa­cios e pontes poderiam ser construa­dos usando menos material. Vea­culos mais leves seriam mais eficientes em termos de energia para fabricar e operar, e uma infraestrutura mais robusta seria mais resistente.

O coinvestigador principal Ying Yang, do ORNL, concebeu e liderou o estudo da Nature . Guiado por simulações de termodina¢mica computacional, ela projetou e fez modelos de ligas personalizadas com a habilidade especial de sofrer uma transformação de fase de uma caºbica centrada na face, ou FCC, para uma caºbica centrada no corpo, ou BCC, estrutura cristalina, impulsionada pormudanças na temperatura ou estresse.

"Colocamos os nanoprecipitados em uma matriz transforma¡vel e controlamos cuidadosamente seus atributos, que por sua vez controlam quando e como a matriz se transforma", disse Yang. "Neste material, induzimos intencionalmente a matriz a ter a capacidade de sofrer uma transformação de fase."

A liga contanãm quatro elementos principais - ferro, na­quel, aluma­nio e tita¢nio - que formam a matriz e precipita, e três elementos menores - carbono, zirca´nio e boro - que limitam o tamanho dos gra£os, cristais meta¡licos individuais.

Os pesquisadores mantiveram cuidadosamente a composição da matriz e a quantidade total de nanoprecipitados em diferentes amostras. No entanto, eles variaram os tamanhos e espaa§amentos dos precipitados, ajustando a temperatura e o tempo de processamento. Para comparação, uma liga de referaªncia sem precipitados, mas tendo a mesma composição que a matriz da liga contendo precipitado , também foi preparada e testada.

"A resistência de um material geralmente depende de quanto pra³ximos os precipitados estãouns dos outros", disse George. "Quando vocêos torna com alguns nana´metros [bilionanãsimos de metro] de tamanho, eles podem ter um espaa§amento muito pra³ximo. Quanto mais espaa§ados estiverem, mais forte o material se torna."

Embora os nanoprecipitados em ligas convencionais possam torna¡-los superfortes, eles também tornam as ligas muito fra¡geis. A liga da equipe evita essa fragilidade porque os precipitados desempenham uma segunda função útil: ao restringir espacialmente a matriz, eles evitam que ela se transforme durante uma tempera tanãrmica, uma rápida imersão em águaque resfria a liga atéa temperatura ambiente. Consequentemente, a matriz permanece em um estado FCC metaesta¡vel. Quando a liga éentão esticada ("esticada"), ela progressivamente se transforma de FCC metaesta¡vel em BCC esta¡vel. Esta transformação de fase durante o esfora§o aumenta a resistência, mantendo a ductilidade adequada. Em contraste, a liga sem precipitados se transforma totalmente em FCC esta¡vel durante a tempera tanãrmica, o que impede uma transformação adicional durante a deformação. Como resultado, émais fraco e mais quebradia§o do que a liga com precipitados. Juntos, os mecanismos complementares de reforço de precipitação convencional e transformação induzida por deformação aumentaram a resistência em 20% -90% e o alongamento em 300%.

"Adicionar precipitados para bloquear deslocamentos e tornar os materiais ultra-resistentes bem conhecido", disse George. "A novidade aqui éque o ajuste do espaa§amento desses precipitados também afeta a propensão a  transformação de fase, o que permite que vários mecanismos de deformação sejam ativados conforme necessa¡rio para aumentar a ductilidade."

O estudo também revelou uma reversão surpreendente do efeito normal de fortalecimento dos nanoprecipitados: uma liga com precipitados grossos e amplamente espaa§ados émais forte do que a mesma liga com precipitados finos e pra³ximos. Essa reversão acontece quando os nanoprecipitados se tornam tão minaºsculos e compactados que a transformação de fase éessencialmente desligada durante a deformação do material, não muito diferente da transformação suprimida durante a tempera tanãrmica.

Este estudo contou com técnicas complementares realizadas nas instalações de usuários do DOE Office of Science no ORNL para caracterizar os nanoprecipitados e os mecanismos de deformação. No Center for Nanophase Materials Sciences, a tomografia por sonda atômica mostrou o tamanho, distribuição e composição química dos precipitados, enquanto a microscopia eletra´nica de transmissão expa´s detalhes atoma­sticos de regiaµes locais. No reator isota³pico de alto fluxo, o espalhamento de naªutrons de pequeno a¢ngulo quantificou a distribuição de precipitados finos. E na Fonte de Naªutrons de Espalação, a difração de naªutrons investigou a transformação de fase após diferentes na­veis de deformação.

"Esta pesquisa apresenta uma nova familia de ligas estruturais", disse Yang. "As caracteri­sticas do precipitado e a química da liga podem ser ajustadas com precisão para ativar os mecanismos de deformação exatamente quando necessa¡rio para impedir o equila­brio entre resistência e ductilidade."

Em seguida, a equipe investigara¡ fatores adicionais e mecanismos de deformação para identificar combinações que podem melhorar ainda mais as propriedades meca¢nicas.

Acontece que hámuito espaço para melhorias. "Os materiais estruturais de hoje realizam apenas uma pequena fração - talvez apenas 10% - de seus pontos fortes teoricamente capazes", disse George. "Imagine a economia de peso que seria possí­vel em um carro ou avia£o - e a consequente economia de energia - se essa força pudesse ser duplicada ou triplicada, mantendo a ductilidade adequada."

O tí­tulo do artigo da Nature é"Nanoprecipitados bifuncionais fortalecem e fertilizam uma liga de entropia média".