Os cientistas mediram a maior tenacidade já registrada, de qualquer material, enquanto investigavam uma liga metálica feita de cromo, cobalto e níquel (CrCoNi). O metal não é apenas extremamente dúctil – o que, na ciência dos materiais, significa altamente maleável – e impressionantemente forte (o que significa que resiste à deformação permanente), sua resistência e ductilidade melhoram à medida que esfria. Isso vai contra a maioria dos outros materiais existentes.
A equipe, liderada por pesquisadores do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e do Oak Ridge National Laboratory, publicou um estudo descrevendo suas descobertas recordes na Science.
“Ao projetar materiais estruturais, você quer que eles sejam fortes, mas também dúcteis e resistentes à fratura”, disse o co-líder do projeto Easo George, presidente do Governor para Teoria e Desenvolvimento Avançado de Ligas no ORNL e na Universidade do Tennessee. “Normalmente, é um compromisso entre essas propriedades. Mas esse material é ambos e, em vez de se tornar quebradiço em baixas temperaturas, fica mais resistente.”
CrCoNi é um subconjunto de uma classe de metais chamados ligas de alta entropia (HEAs). Todas as ligas em uso hoje contêm uma alta proporção de um elemento com quantidades menores de elementos adicionais adicionados, mas os HEAs são feitos de uma mistura igual de cada elemento constituinte.
Essas receitas atômicas balanceadas parecem conferir a alguns desses materiais uma combinação extraordinariamente alta de resistência e ductilidade quando tensionados, que juntos formam o que é chamado de “resistência”. Os HEAs têm sido uma área quente de pesquisa desde que foram desenvolvidos há cerca de 20 anos, mas a tecnologia necessária para levar os materiais aos seus limites em testes extremos não estava disponível até recentemente.
“A tenacidade deste material perto das temperaturas do hélio líquido (20 Kelvin, -424 Fahrenheit) chega a 500 megapascais metros de raiz quadrada. Nas mesmas unidades, a tenacidade de um pedaço de silício é uma, a fuselagem de alumínio em aviões de passageiros é cerca de 35 , e a tenacidade de alguns dos melhores aços é de cerca de 100. Então, 500, é um número impressionante”, disse o co-líder da pesquisa Robert Ritchie, cientista sênior da faculdade na Divisão de Ciências de Materiais do Laboratório de Berkeley e professor de engenharia de Chua na UC Berkeley.
Ritchie e George começaram a fazer experiências com CrCoNi e outra liga que também contém manganês e ferro (CrMnFeCoNi) há quase uma década. Eles criaram amostras das ligas e, em seguida, reduziram os materiais a temperaturas de nitrogênio líquido (cerca de 77 Kelvin, ou -321 F) e descobriram resistência e tenacidade impressionantes.
Eles imediatamente quiseram continuar seu trabalho com testes em faixas de temperatura de hélio líquido, mas encontrar instalações que permitissem testar amostras em um ambiente tão frio e recrutar membros da equipe com as ferramentas analíticas e a experiência necessárias para analisar o que acontece no material em um nível atômico levou os próximos 10 anos. Felizmente, os resultados valeram a espera.
Perscrutando o cristal
Muitas substâncias sólidas, incluindo metais, existem em uma forma cristalina caracterizada por um padrão atômico tridimensional repetitivo, chamado de célula unitária, que compõe uma estrutura maior chamada rede. A força e tenacidade do material, ou a falta dela, vêm das propriedades físicas da rede.
Nenhum cristal é perfeito, então as células unitárias em um material inevitavelmente conterão “defeitos”, um exemplo proeminente sendo os deslocamentos – limites onde a rede não deformada se encontra com a rede deformada. Quando a força é aplicada ao material – pense, por exemplo, em dobrar uma colher de metal – a mudança de forma é realizada pelo movimento de deslocamentos através da treliça.
Quanto mais fácil for para as discordâncias se moverem, mais macio será o material. Mas se o movimento das discordâncias é bloqueado por obstáculos na forma de irregularidades da rede, então mais força é necessária para mover os átomos dentro da discordância, e o material se torna mais forte. Por outro lado, os obstáculos geralmente tornam o material mais frágil – propenso a rachaduras.
Usando difração de nêutrons, difração de retroespalhamento de elétrons e microscopia eletrônica de transmissão, Ritchie, George e seus colegas do Berkeley Lab, da Universidade de Bristol, do Rutherford Appleton Laboratory e da Universidade de New South Wales examinaram as estruturas de rede de amostras de CrCoNi que haviam sido fraturado à temperatura ambiente e 20 K. (Para medir resistência e ductilidade, um espécime de metal puro é puxado até fraturar, enquanto para testes de tenacidade à fratura, uma trinca acentuada é intencionalmente introduzida na amostra antes de ser puxada e a tensão necessária para crescer a trinca é então medida.)
As imagens e mapas atômicos gerados a partir dessas técnicas revelaram que a tenacidade da liga se deve a um trio de obstáculos de deslocamento que entram em vigor em uma determinada ordem quando a força é aplicada ao material. Primeiro, deslocamentos em movimento fazem com que áreas do cristal deslizem para longe de outras áreas que estão em planos paralelos.
Esse movimento desloca camadas de células unitárias de forma que seu padrão não mais corresponda na direção perpendicular ao movimento de deslizamento, criando uma espécie de obstáculo. A força adicional no metal cria um fenômeno chamado nanotwinning, em que as áreas da rede formam uma simetria espelhada com um limite no meio.
Finalmente, se as forças continuarem a atuar no metal, a energia que está sendo colocada no sistema muda o arranjo das próprias células unitárias, com os átomos de CrCoNi passando de um cristal cúbico de face centrada para outro arranjo conhecido como empacotamento hexagonal.
Essa sequência de interações atômicas garante que o metal continue fluindo, mas também continue encontrando nova resistência de obstáculos muito além do ponto em que a maioria dos materiais se rompe com a tensão. “Então, enquanto você puxa, o primeiro mecanismo é iniciado e, em seguida, o segundo é iniciado, o terceiro é iniciado e o quarto”, explicou Ritchie.
“Agora, muitas pessoas dirão, bem, vimos nanotwinning em materiais comuns, vimos escorregar em materiais comuns. Isso é verdade. Não há nada de novo nisso, mas é o fato de que todos eles ocorrem nessa sequência mágica que nos dá essas propriedades realmente tremendas.”
As novas descobertas da equipe, juntamente com outros trabalhos recentes sobre HEAs, podem forçar a comunidade científica de materiais a reconsiderar noções antigas sobre como as características físicas dão origem ao desempenho. “É divertido porque os metalúrgicos dizem que a estrutura de um material define suas propriedades, mas a estrutura do NiCoCr é a mais simples que você pode imaginar – são apenas grãos”, disse Ritchie.
“No entanto, quando você a deforma, a estrutura se torna muito complicada, e essa mudança ajuda a explicar sua excepcional resistência à fratura”, acrescentou o co-autor Andrew Minor, diretor do Centro Nacional de Microscopia Eletrônica da Molecular Foundry no Berkeley Lab e Professor de Ciência e Engenharia de Materiais na UC Berkeley.
“Pudemos visualizar essa transformação inesperada devido ao desenvolvimento de detectores de elétrons rápidos em nossos microscópios eletrônicos, que nos permitem discernir entre diferentes tipos de cristais e quantificar os defeitos dentro deles na resolução de um único nanômetro – a largura de apenas alguns átomos – que, como se vê, é do tamanho dos defeitos na estrutura de NiCoCr deformada.”
A liga CrMnFeCoNi também foi testada a 20 Kelvin e teve um desempenho impressionante, mas não alcançou a mesma tenacidade que a liga CrCoNi mais simples.
Forjando novos produtos
Agora que o funcionamento interno da liga CrCoNi é melhor compreendido, ele e outros HEAs estão um passo mais perto de serem adotados para aplicações especiais. Embora a criação desses materiais seja cara, George prevê usos em situações em que extremos ambientais possam destruir ligas metálicas padrão, como nas temperaturas geladas do espaço profundo.
Ele e sua equipe em Oak Ridge também estão investigando como as ligas feitas de elementos mais abundantes e menos caros – há uma escassez global de cobalto e níquel devido à sua demanda na indústria de baterias – podem ser induzidas a ter propriedades semelhantes.
Embora o progresso seja empolgante, Ritchie adverte que o uso no mundo real ainda pode estar distante, por um bom motivo. “Quando você está voando em um avião, gostaria de saber que o que o salva de cair 40.000 pés é uma liga de estrutura de aeronave que foi desenvolvida apenas alguns meses atrás? Ou você gostaria que os materiais fossem maduros e bem compreendidos? É por isso que materiais estruturais podem levar muitos anos, até décadas, para entrar em uso real.”
Publicado em 17/12/2022 15h10
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