Pesquisadores japoneses foram capazes de prever com rapidez e precisão a microestrutura das ligas de níquel-alumínio (Ni-Al) que são comumente usadas no projeto de peças de turbinas de motores a jato. As previsões da microestrutura dessas ligas têm sido demoradas e caras. As descobertas têm o potencial de fazer um grande avanço no design de materiais - compostos por uma variedade de ligas diferentes - que são usados ​​para fazer produtos em diversos setores da indústria.

As ligas são materiais duráveis ​​compostos por dois ou mais metais. O alto custo atual e as limitações de design dos processos de fabricação de ligas tradicionais levaram à necessidade de criar métodos de design mais eficientes. Um dos principais desafios tem sido como prever com precisão a microestrutura de uma liga (a estrutura em escala muito pequena que só é visível ao microscópio), que pode influenciar muito as propriedades físicas, como a resistência, dureza, resistência à corrosão, dureza e / ou resistência ao desgaste.

Os autores foram capazes de prever microestruturas de ligas usando o "método de campo de fase do primeiro princípio". Este procedimento prevê a microestrutura das ligas com base nas leis fundamentais da física sozinhas (primeiros princípios) e, em seguida, usa esses parâmetros para modelar as formações microestruturais (campo de fase). Isso é contrário à modelagem empírica, ou previsões baseadas apenas em experimentos ou observações anteriores. Além disso, os pesquisadores realizaram seus experimentos de modelagem sob altas temperaturas que imitam as das turbinas de motores a jato (~ 1027 ^o C).

A pesquisa foi publicada em Nature Communications em 1º de agosto, 2019.

A busca de novos materiais com propriedades desejáveis ​​requer engenharia de microestrutura de materiais com base na mudança de várias variáveis, como composição, morfologia, pressão, temperatura, doping, fundição e forjamento.

Uma técnica de simulação confiável que pode ajudar no projeto e na produção de novos materiais com base em um princípio teórico sozinho pode tornar a produção mais rápida e barata. Contudo, a maioria das teorias atuais de design de material é fenomenológica e derivada de observações experimentais e experiências empíricas. Isso é demorado e caro.

O que torna o método de campo de fase de primeiros princípios tão vantajoso, de acordo com os autores, é que ele une os cálculos precisos em pequena escala (primeiros princípios) e o modelo em grande escala (campo de fase) pela teoria de renormalização, um conceito em física que essencialmente torna infinitos graus de liberdade finitos, ou variáveis ​​contínuas discretas. Em outras palavras, usando o método deles, eles foram capazes de superar procedimentos experimentais demorados e caros e ainda produzir materiais que estavam de acordo com os métodos experimentais.

"O método de campo de fase de primeiros princípios foi inventado como a primeira técnica inovadora de simulação multiescalar do mundo. Usando este método, fomos capazes de prever com sucesso microestruturas complexas de qualquer composição de ligas de Ni-Al a partir dos primeiros princípios (leis básicas da física) sem usar qualquer parâmetro empírico, e nossos resultados concordam muito bem com os experimentos, "diz Kaoru Ohno, autor correspondente e professor da Universidade Nacional de Yokohama.

Ohno e co-autores do Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japão dizem que o método pode ser usado para prever a resistência mecânica de ligas porque as distribuições de força local, bem como as microestruturas, podem ser facilmente calculadas.

O método que os autores apresentam também pode ser usado para prever microestruturas de ligas multicomponentes, ou ligas feitas de mais de dois metais. "Esses estudos destacam a natureza fundamental dos aços e outras ligas que até agora só foram demonstradas com base em observações empíricas. o método proposto é uma ferramenta teórica poderosa para prever rapidamente a liga mais adequada que pode atingir a resistência desejada, dureza, ductilidade, plasticidade, leveza, etc. tanto quanto possível, "acrescenta Ohno.

No futuro, os autores planejam aplicar o método a vários materiais de aço e outras ligas multicomponentes, a fim de prever a dependência das microestruturas e distribuições locais de tensões em suas composições iniciais e compreender melhor suas características.