Os cientistas de materiais Arun Devaraj e Bharat Gwalani (primeiro plano) usam um tribômetro pino no disco para transmitir deformação por cisalhamento nos materiais. Crédito:Arun Devaraj | Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico
Encontrando novos, formas de baixo custo de fazer melhores ligas de metal e compostos é um dos santos graais do mundo da pesquisa de materiais. Cientistas do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico (PNNL) do Departamento de Energia dos EUA estão tendo muito sucesso usando abordagens de processamento de fase sólida para criar materiais com propriedades aprimoradas. Para entender o que está acontecendo e por quê, eles estão perscrutando todo o caminho até o nível atômico das microestruturas dos materiais. Um estudo recente foi publicado este mês na Communications Materials.
Através da história, da Idade do Bronze, para a Idade do Ferro, aos tempos modernos, a arte do possível na produção de metais tem sido amplamente limitada a processos em que o metal é primeiro fundido e, em seguida, sujeito a uma série de etapas de uso intensivo de energia para produzir ligas e, em última análise, produtos úteis. Abordagens de processamento baseado em fusão têm tido muito sucesso, mas eles são limitados nos tipos de ligas metálicas e compostos que podem ser feitos e nas propriedades que podem ser alcançadas.
No processamento de fase sólida, os metais não são derretidos, mas sim sujeitos a uma força mecânica de cisalhamento. Isso mistura os metais para criar ligas ou compostos, para modificar localmente as propriedades do material, ou para produzir soldas entre dois materiais. O cisalhamento envolve a aplicação de pressão ao deslizar metais ou materiais uns contra os outros. Isso cria atrito - e, portanto, calor - para combinar e transformar os materiais.
Este estudo se concentrou em uma liga leve de alumínio e silício amplamente utilizada na defesa, aeroespacial, e indústrias automotivas. A equipe usou a força de cisalhamento para reestruturar a liga no nível nano. A distribuição do silício foi alterada em nível atômico, tornando a microestrutura muito mais robusta do que materiais idênticos produzidos convencionalmente, "de acordo com o cientista de materiais do PNNL, Arun Devaraj.
A tomografia por sonda atômica revela a distribuição única de silício (vermelho) dentro de uma matriz de alumínio altamente refinado (azul). Esta distribuição em nanoescala é alcançada por deformação por cisalhamento, o que leva a uma maior resistência da liga. Crédito:Arun Devaraj | Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico
"Analisamos como a força de cisalhamento introduz uma nanoestrutura hierárquica, "disse Devaraj." Os testes de compressão mostraram que a nanoestrutura criada com cisalhamento tinha quase o dobro da resistência em comparação com a microestrutura da mesma liga formada por fundição. "Devaraj e sua equipe criaram micropilares da liga fundida antes e depois do cisalhamento e mediram o quantidade de força necessária para comprimir cada grupo.
No casamento de uma liga de alumínio-silício, o alumínio é o macio, sensível. O silício é quebradiço e duro, com tendência a quebrar. Antes do experimento, as partículas de silicone da liga fundida eram pequenas - cerca de 10 mícrons em média - e distribuídas dentro e entre os grãos de alumínio muito maiores.
Usando tomografia de sonda atômica e microscopia eletrônica no EMSL - Laboratório de Ciências Moleculares Ambientais, um DOE Office of Science User Facility no PNNL - a equipe observou como a força de cisalhamento altera a microestrutura da liga. As partículas de silício se fragmentaram em pedaços cada vez menores até quase se dissolverem no alumínio. Os grãos de alumínio tornaram-se muito menores. Ambas as fases de alumínio e silício exibiram aumento da mistura como resultado da deformação por cisalhamento.
Compreender a influência da deformação por cisalhamento extremo na microestrutura de uma liga de metal é crucial para otimizar novos métodos de processamento de materiais em fase sólida. Também é um conhecimento útil para o campo da tribologia, que lida com as interações entre duas superfícies em movimento relativo entre si, como rolamentos de esferas e outros equipamentos usados no transporte.
Iniciativa de Ciência de Processamento de Fase Sólida do PNNL, um investimento de laboratório, financiou esta pesquisa como parte de seus esforços para avançar na compreensão fundamental das vias de síntese de materiais em fase sólida e para permitir a fabricação de materiais e componentes de próxima geração que podem fazer a diferença em várias indústrias, incluindo aeroespacial, transporte, energia, e reciclagem de metais.
