Tecnologia Científica

Precipitados minúsculos, mas poderosos, endurecem uma liga estrutural
A ductilidade é uma 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 será gracioso ou catastrófico.
Por Dawn Levy - 08/07/2021


De cima para baixo, respectivamente, ligas foram feitas sem nanoprecipitados ou com nanoprecipitados grossos ou finos para avaliar os efeitos de seus tamanhos e espaçamentos no comportamento mecânico. Michelle Lehman / ORNL, Departamento de Energia dos EUA. Crédito: Michelle Lehman / ORNL, Departamento de Energia dos EUA

Cientistas do Laboratório 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 minúsculos precipitados em sua matriz e ajustando seu tamanho e espaçamento. Os precipitados são sólidos que se separam da mistura de metal à medida que a liga esfria. Os resultados, publicados na revista Nature , abrirão novos caminhos para o avanço de materiais estruturais.

A ductilidade é uma 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 será gracioso ou catastrófico. Quanto maior a resistência e a ductilidade, mais resistente é o material.

"Um santo graal de materiais estruturais há muito tempo, como você aumenta simultaneamente a resistência e a ductilidade?" disse Easo George, principal investigador do estudo e Presidente do Governador para Teoria e Desenvolvimento Avançado de Ligas da ORNL e UT. "Derrotar o equilíbrio entre resistência e ductilidade permitirá uma nova geração de materiais leves, fortes e tolerantes a danos."

Se os materiais estruturais pudessem se tornar mais fortes e dúcteis, componentes de carros, aviões, usinas de energia, edifícios e pontes poderiam ser construídos usando menos material. Veículos 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 termodinâmica computacional, ela projetou e fez modelos de ligas personalizadas com a habilidade especial de sofrer uma transformação de fase de uma cúbica centrada na face, ou FCC, para uma cúbica centrada no corpo, ou BCC, estrutura cristalina, impulsionada por mudanças na temperatura ou estresse.

"Colocamos os nanoprecipitados em uma matriz transformável 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 contém quatro elementos principais - ferro, níquel, alumínio e titânio - que formam a matriz e precipita, e três elementos menores - carbono, zircônio e boro - que limitam o tamanho dos grãos, cristais metálicos 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 espaçamentos dos precipitados, ajustando a temperatura e o tempo de processamento. Para comparação, uma liga de referência 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 quão próximos os precipitados estão uns dos outros", disse George. "Quando você os torna com alguns nanômetros [bilionésimos de metro] de tamanho, eles podem ter um espaçamento muito próximo. Quanto mais espaçados estiverem, mais forte o material se torna."

Embora os nanoprecipitados em ligas convencionais possam torná-los superfortes, eles também tornam as ligas muito frágeis. 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 têmpera térmica, uma rápida imersão em água que resfria a liga até a temperatura ambiente. Consequentemente, a matriz permanece em um estado FCC metaestável. Quando a liga é então esticada ("esticada"), ela progressivamente se transforma de FCC metaestável em BCC estável. Esta transformação de fase durante o esforço aumenta a resistência, mantendo a ductilidade adequada. Em contraste, a liga sem precipitados se transforma totalmente em FCC estável durante a têmpera térmica, o que impede uma transformação adicional durante a deformação. Como resultado, é mais fraco e mais quebradiço 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 é bem conhecido", disse George. "A novidade aqui é que o ajuste do espaçamento desses precipitados também afeta a propensão à transformação de fase, o que permite que vários mecanismos de deformação sejam ativados conforme necessário 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 espaçados é mais forte do que a mesma liga com precipitados finos e próximos. Essa reversão acontece quando os nanoprecipitados se tornam tão minúsculos e compactados que a transformação de fase é essencialmente desligada durante a deformação do material, não muito diferente da transformação suprimida durante a têmpera térmica.

"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 avião - e a consequente economia de energia - se essa força pudesse ser duplicada ou triplicada, mantendo a ductilidade adequada."


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 eletrônica de transmissão expôs detalhes atomísticos de regiões locais. No reator isotópico de alto fluxo, o espalhamento de nêutrons de pequeno ângulo quantificou a distribuição de precipitados finos. E na Fonte de Nêutrons de Espalação, a difração de nêutrons investigou a transformação de fase após diferentes níveis de deformação.

"Esta pesquisa apresenta uma nova família de ligas estruturais", disse Yang. "As características do precipitado e a química da liga podem ser ajustadas com precisão para ativar os mecanismos de deformação exatamente quando necessário para impedir o equilíbrio entre resistência e ductilidade."

Em seguida, a equipe investigará fatores adicionais e mecanismos de deformação para identificar combinações que podem melhorar ainda mais as propriedades mecânicas.

A tensão subsequente durante a deformação transforma o material com precipitados
grossos, tornando-o mais resistente e dúctil, mas não altera aquele com precipitados
finos. Crédito: Michelle Lehman / ORNL, Departamento de Energia dos EUA

Acontece que há muito 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 avião - 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".

 

.
.

Leia mais a seguir