O professor Huang Mingxin mostra uma peça fina e leve de super aço que demonstra um nível ultra alto de resistência à fratura, força e ductilidade. Crédito:Universidade de Hong Kong
O projeto Super Steel liderado pelo Professor Huang Mingxin no Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Hong Kong (HKU), com colaboradores do Lawrence Berkeley National Lab (LBNL), fez um avanço importante em seu novo aço super D&P (produzido usando um novo método deformado e particionado) para aumentar significativamente sua resistência à fratura enquanto mantém super forte em força para aplicações industriais avançadas.
Os resultados foram publicados em Ciência em 8 de maio de 2020 no artigo intitulado "Tornando o aço ultra-forte resistente por delaminação de limite de grãos".
O aço é uma liga comum. Os cientistas e engenheiros de materiais procuram continuamente desenvolver materiais de aço de nova geração que sejam mais fáceis de estender e alongar (ductilidade) em diferentes formas e estruturas, maior em resistência à deformação (força) e fratura (tenacidade), leve em peso e baixo custo de produção.
A tarefa foi difícil. A visão convencional é que elevar o desempenho de uma propriedade metálica, seja em força, ductilidade ou resistência, irá prejudicar um ou mais dos outros. Por exemplo, um aumento na resistência inevitavelmente tornará o metal mais frágil (conhecido como trade-off resistência-tenacidade); ou menos flexível para ser estendido ou alongado em diferentes formas. (compensação resistência-ductilidade).
"Neste mais recente avanço no aço super D&P, alcançamos uma combinação de resistência-tenacidade sem precedentes que pode enfrentar um grande desafio em aplicações industriais de segurança crítica - atingir uma tenacidade de fratura ultra-alta para evitar fratura prematura catastrófica de materiais estruturais. A descoberta também muda a visão convencional de que atingir alta resistência será às custas da deterioração da tenacidade, o que invariavelmente leva à fragilização dos materiais estruturais e limita muito a sua aplicação, "disse o professor Huang.
A equipe havia anteriormente aumentado significativamente o desempenho de resistência-ductilidade do aço D&P (Nota 1), o aço super D&P, portanto, atinge excelente desempenho em todas as três propriedades metálicas em um alto nível sem precedentes, não alcançado por nenhum material de aço antes.
(A) Resistência ao escoamento-tenacidade e (B) ao alongamento uniforme da resistência ao escoamento do presente aço inovador D&P em comparação com outros materiais metálicos de alta resistência existentes. O aço D&P demonstrou a melhor combinação de resistência ao escoamento, tenacidade e alongamento uniforme. Crédito:Universidade de Hong Kong
Várias patentes nos EUA, UE e China foram arquivados. A equipe tem feito contato com parceiros industriais para gerar protótipos de cabos de ponte de alta resistência, Colete à prova de bala e mola do carro com o super aço para mais testes e ensaios a serem realizados. O mais recente avanço no aço D&P, feito em colaboração com a equipe de pesquisa do Professor Robert O. Ritchie no Lawrence Berkeley National Lab (LBNL) e UC Berkeley, resulta no aço uma resistência ao escoamento contra a deformação de ~ 2GPa, uma resistência à fratura superior de 102 MPam½, e um bom alongamento uniforme de 19%.
A equipe também fez uma importante descoberta científica na estrutura do super aço D&P. O super aço tem uma característica única de fratura em que múltiplas microfissuras são formadas abaixo da superfície de fratura principal, através de um novo mecanismo de endurecimento de "multi-delaminação induzida de alta resistência". Essas microfissuras podem absorver efetivamente a energia de forças aplicadas externamente, resultando em uma resistência à tenacidade muito maior do aço em comparação com os materiais de aço existentes.
Atualmente, aço de alta resistência para cabos de ponte tem uma resistência ao escoamento inferior a 1,7 GPa ~, e tenacidade à fratura inferior a 65 MPa m½; o aço blindado de alta resistência usado em carros blindados tem uma combinação de resistência máxima similar. O nível de tenacidade que pode ser alcançado pelo aço D&P é, portanto, muito maior do que os materiais de aço existentes, enquanto mantém super forte em força.
Corda de piano de aço, por exemplo, tem uma resistência ultra-alta variando de 2,6 a 2,9 GPa para resistir à deformação e manter o instrumento afinado, o que é conseguido à custa da tenacidade e, por sua vez, é muito frágil.
Enquanto isso, o custo das matérias-primas do aço D&P é apenas 20% do aço maraging usado atualmente na indústria aeroespacial (por exemplo, Grau 300, cuja resistência ao escoamento e tenacidade de início de fratura são 1,8 GPa e 70 MPa m½, respectivamente).
"O aço D&P tem outras vantagens, como processamento industrial simples e baixo custo de matéria-prima. Pode ser produzido por processos convencionais de laminação e recozimento, como tal, nenhuma rota de fabricação complexa e equipamentos especiais são necessários, "disse a Srta. Li Liu, o primeiro autor do artigo de jornal e um Ph.D. aluno supervisionado pelo professor Huang.
"Demos um grande passo mais perto de industrializar o novo super aço. Ele demonstra um grande potencial para ser usado em várias aplicações, incluindo coletes à prova de balas de qualidade superior, cabos de ponte, automóveis leves e veículos militares, aeroespacial, e parafusos e porcas de alta resistência na indústria de construção ”, acrescentou o professor Huang.
