Uma equipe de pesquisa liderada pela City University of Hong Kong (CityU) desenvolveu uma estratégia para a criação de novas ligas de alta resistência que são extremamente fortes, dúctil e flexível. A estratégia supera as questões críticas do dilema de compensação resistência-ductilidade, pavimentando o caminho para materiais estruturais inovadores no futuro.

Ligas de múltiplos elementos principais, geralmente referido como ligas de alta entropia (HEAs), são um novo tipo de material construído com quantidades iguais ou quase iguais de cinco ou mais metais. Atualmente, eles são o foco das atenções na ciência e engenharia de materiais devido às suas potenciais aplicações estruturais. No entanto, a maioria das ligas compartilham a mesma característica prejudicial:quanto maior a resistência da liga, quanto menor a ductilidade e resistência, o que significa que ligas fortes tendem a ser menos deformáveis ​​ou esticáveis ​​sem fratura.

Recentemente, Contudo, um estudo liderado pelo professor Liu Chain Tsuan, Professor Distinto da Universidade do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da CityU, encontrou uma solução inovadora para esse dilema assustador de décadas - fazer ligas de alta entropia por meio da precipitação massiva de partículas em nanoescala. Esta pesquisa de ponta acaba de ser publicada na última edição da prestigiosa revista. Ciência , intitulado "Nanopartículas intermetálicas multicomponentes e excelentes comportamentos mecânicos de ligas complexas."

Resolvendo o equilíbrio entre resistência e ductilidade

"Somos capazes de fazer uma nova liga de alta entropia chamada Al ₇ Ti ₇ ((FeCoNi) ₈₆ -Al ₇ Ti ₇ ) com uma resistência superior de 1,5 gigapascals e ductilidade de até 50 por cento em tensão à temperatura ambiente. Fortalecido por nanopartículas, esta nova liga é cinco vezes mais forte do que a liga à base de ferro-cobalto-níquel (FeCoNi), "diz o professor Liu.

"A maioria das ligas convencionais contém um ou dois elementos principais, como níquel e ferro para manufaturar, "ele explica." No entanto, adicionando elementos adicionais de alumínio e titânio para formar precipitados maciços na liga à base de FeCoNi, descobrimos que a resistência e a ductilidade aumentaram significativamente, resolvendo a questão crítica do dilema de trade-off para materiais estruturais. "

Além disso, ligas de alta resistência geralmente enfrentam instabilidade de deformação plástica, conhecido como problema de estrangulamento, o que significa que quando a liga está sob alta resistência, sua deformação se tornaria instável e muito facilmente levaria à fratura de estreitamento (deformação localizada) com alongamento uniforme muito limitado. Mas a equipe descobriu ainda que, ao adicionar nanopartículas intermetálicas multicomponentes, que são nanopartículas complexas feitas de diferentes elementos, pode fortalecer uniformemente a liga, melhorando a instabilidade de deformação.

Enfrentando o "problema do aperto"

E eles encontraram a fórmula ideal para essas nanopartículas complexas, que consiste em níquel, cobalto, ferro, átomos de titânio e alumínio. O professor Liu explica que cada nanopartícula mede de 30 a 50 nanômetros. Os átomos de ferro e cobalto que substituem alguns dos componentes do níquel ajudam a reduzir a densidade do elétron de valência e melhorar a ductilidade da nova liga. Por outro lado, substituir parte do alumínio por titânio reduz em grande parte o impacto da umidade no ar para evitar a fragilização induzida nesta nova liga forte.

"Esta pesquisa abre uma nova estratégia de design para desenvolver superligas, pela engenharia de nanopartículas multicomponentes para fortalecer ligas complexas para alcançar excelentes propriedades mecânicas em temperaturas ambiente e elevadas, "diz o professor Liu.

Ele acredita que as novas ligas desenvolvidas com essa nova estratégia terão um bom desempenho em temperaturas que variam de -200 ° C a 1000 ° C. Portanto, eles podem atuar como uma boa base para um maior desenvolvimento para uso estrutural em dispositivos criogênicos, aeronaves e sistemas aeronáuticos e além.