A razão pela qual a maioria das estruturas falha não é devido a material de má qualidade ou impacto violento. É algo muito mais simples, menor e até maçante: fadiga prolongada e de baixa amplitude.
A mecânica por trás ? e por dentro ? dessa fadiga lenta é difícil de estudar. Eles estão literalmente escondidos nas rachaduras.
Um grupo de pesquisa liderado por Derek Warner, professor de engenharia civil e ambiental da Faculdade de Engenharia, fez um grande avanço na compreensão de como alguns materiais se quebram. Usando modelagem atômica, os pesquisadores identificaram o mecanismo que faz com que as rachaduras de fadiga cresçam: um defeito – ou deslocamento – na estrutura que começa perto da ponta da trinca, se afasta dela e retorna a um local ligeiramente diferente.
A descoberta pode ajudar os engenheiros a antecipar melhor o comportamento de um material e projetar novas ligas que resistam à fadiga.
O artigo do grupo, “Atomic Mechanism of Near Threshold Fatigue Crack Growth in Vacuum”, publicado em 10 de fevereiro na Nature Communications. O autor principal é o estudante de doutorado Mingjie Zhao.
O projeto surgiu de um tipo diferente de fadiga, que era mais científico do que mecânico. Por vários anos, Zhao e a coautora do artigo, Wenjia Gu, Ph.D. ’21, ficaram perplexos com um problema. Quando eles repetiram simulações atomísticas anteriores de crescimento de rachaduras, descobriram que, se deixassem as simulações durarem o suficiente, além de aproximadamente 20 ciclos de carga, as rachaduras paravam de crescer.
“Nós dissemos, uh oh, o que estamos fazendo de errado? As coisas falham devido à fadiga, e é porque as rachaduras continuam crescendo. Estávamos presos a um modelo que não podia realmente modelar a coisa física que pretendíamos”, disse Warner. “Nós examinamos a literatura de outras pessoas que fizeram simulações atomísticas de crescimento de rachaduras, e toda a literatura foi limitada a 10s de ciclos. Ninguém estava realmente fazendo simulações além disso.”
Um desafio com as simulações de computador é que elas usam cargas mecânicas muito mais baixas e por durações mais curtas, porque a maioria dos pesquisadores não tem tempo ou poder computacional suficiente para corresponder aos experimentos do mundo real.
Assim, o grupo de Warner decidiu criar uma série de simulações de uma liga estrutural ? semelhante ao aço ou ao alumínio ? no vácuo. Cada simulação inseriu um mecanismo artificial diferente que poderia provocar o avanço das rachaduras, como fariam no mundo real.
Uma simulação focava na irreversibilidade, ou seja, os defeitos só podiam se afastar da trinca. A segunda simulação adicionou novas fontes de defeitos. Uma terceira simulação organizou vários defeitos em uma chamada “faixa de deslizamento persistente”, que é uma forma de tensão localizada, e introduziu uma rachadura perto dela.
A cada vez, a rachadura se recusava a ceder.
Uma quarta simulação conseguiu propagar a trinca depois que a equipe percebeu que os defeitos precisavam interagir mais de perto com a ponta da trinca, de modo que as ligações atômicas se rompessem.
“As falhas por fadiga são uma coisa muito comum, mas nunca ficou claro o que acontece na ponta do crack”, disse Warner. “Você precisa que esses defeitos, esses deslocamentos, voltem em um local ligeiramente diferente de onde eles saíram. Isso acaba movendo o material para longe da ponta da rachadura. Então, está essencialmente avançando.”
Embora a modelagem explique o mecanismo mecânico na raiz das trincas de fadiga, ainda há uma questão em aberto sobre qual papel o ambiente desempenha em seu crescimento.
O Cornell Fracture Group agora está interessado em analisar como os deslocamentos podem ser direcionados para diferentes locais e como o carregamento pode afetar o processo. A Warner também vê uma oportunidade de aproveitar essa nova compreensão da fadiga prolongada e aplicá-la ao design de materiais, que historicamente se concentram em quanto carregamento um material pode suportar ou até onde pode se esticar antes de falhar.
“Acho que, como não há uma compreensão fundamental de como a fadiga acontece, o projeto de novas ligas e materiais estruturais foi focado na resistência e ductilidade, em vez da fadiga”, disse Warner. “Então, realmente queremos vincular esse processo fundamental às propriedades calculáveis e ajustáveis do material para abrir novas rotas para a criação de materiais resistentes à fadiga”.
Publicado em 17/02/2022 20h36
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