Uma liga é normalmente um metal que tem alguns por cento de pelo menos um outro elemento adicionado. Algumas ligas de alumínio têm uma propriedade aparentemente estranha.

"Sabemos que ligas de alumínio podem se tornar mais fortes ao serem armazenadas em temperatura ambiente - essa não é uma informação nova, "diz Adrian Lervik, um físico da Universidade Norueguesa de Ciência e Tecnologia (NTNU).

O metalúrgico alemão Alfred Wilm descobriu essa propriedade em 1906. Mas por que isso acontece? Até agora, o fenômeno foi mal compreendido, mas agora Lervik e seus colegas de NTNU e SINTEF, o maior instituto de pesquisa independente da Escandinávia, resolveram essa questão.

Lervik concluiu recentemente seu doutorado no Departamento de Física da NTNU. Seu trabalho explica uma parte importante deste mistério. Mas primeiro, uma rápida explicação, porque Lervik também investigou alguma pré-história.

“No final dos anos 1800, Wilm trabalhou para tentar aumentar a resistência do alumínio, um metal leve que se tornou disponível recentemente. Ele fundiu e fundiu uma série de ligas diferentes e testou várias taxas de resfriamento comuns na produção de aço, a fim de alcançar a melhor resistência possível, "diz Lervik.

Um fim de semana em que o tempo estava bom, Wilm decidiu fazer uma pausa em seus experimentos e, em vez disso, tirar um fim de semana cedo para navegar ao longo do rio Havel.

"Ele voltou ao laboratório na segunda-feira e continuou a fazer testes de tração de uma liga de alumínio, cobre e magnésio que ele havia começado na semana anterior. Ele descobriu que a resistência da liga havia aumentado consideravelmente no fim de semana.

Essa liga simplesmente permaneceu em temperatura ambiente durante esse tempo. O tempo tinha feito um trabalho que todos os outros métodos de resfriamento não podiam fazer.

Hoje esse fenômeno é denominado envelhecimento natural.

O metalúrgico americano Paul Merica sugeriu em 1919 que o fenômeno deve ser devido a pequenas partículas dos vários elementos que formam uma espécie de precipitação na liga. Mas naquela época não havia métodos experimentais que pudessem provar isso.

"Somente no final da década de 1930 o método de difração de raios-X provou que os elementos de liga se acumularam em pequenos aglomerados em uma nanoescala, "diz Lervik.

O alumínio puro consiste em muitos cristais. Um cristal pode ser visto como um bloco de folhas de grade, onde um átomo fica em cada quadrado da grade. A força é medida pela resistência das folhas ao deslizamento umas sobre as outras.

Em uma liga, um pequeno por cento dos quadrados são ocupados por outros elementos, tornando um pouco mais difícil para as folhas deslizarem umas sobre as outras e resultando em maior resistência.

Como Lervik explica, “Um agregado é como uma pequena gota de tinta no bloco de grade. Os elementos de liga se acumulam e ocupam algumas dezenas de quadrados vizinhos que se estendem por várias folhas. Junto com o alumínio, eles formam um padrão. Essas gotas têm uma estrutura atômica diferente da do alumínio e tornam o deslocamento de deslocamento mais difícil para as folhas no bloco de grade. "

Os agregados de elementos de liga são conhecidos como "clusters. Na linguagem técnica, são chamados de zonas de Guinier-Preston (GP), em homenagem aos dois cientistas que os descreveram pela primeira vez. Na década de 1960, tornou-se possível ver as zonas GP através de um microscópio eletrônico pela primeira vez, mas demorou até agora para vê-los no nível de um único átomo.

"Nos últimos anos, numerosos cientistas exploraram a composição dos agregados, mas pouco trabalho foi feito para entender sua estrutura nuclear. Em vez de, muitos estudos têm se concentrado na otimização de ligas por meio de experimentos com endurecimento por envelhecimento em diferentes temperaturas e por diferentes períodos de tempo, "diz Lervik.

O endurecimento pelo envelhecimento e a criação de misturas de metais fortes são claramente muito importantes em um contexto industrial. Mas muito poucos pesquisadores e pessoas na indústria se importaram muito com o que os clusters realmente consistem. Eles eram simplesmente pequenos demais para serem provados.

Lervik e seus colegas pensaram de forma diferente.

"Com nossos métodos experimentais modernos, conseguimos tirar fotos em nível atômico dos aglomerados com o microscópio eletrônico de transmissão em Trondheim pela primeira vez em 2018, "diz Lervik.

"Ele e sua equipe estudaram ligas de alumínio, zinco e magnésio. Isso está se tornando cada vez mais importante nas indústrias automotiva e aeroespacial. "

A equipe de pesquisa também determinou a composição química dos clusters por meio do instrumento de tomografia por sonda atômica recentemente instalado na NTNU. O programa de infraestrutura do Conselho de Pesquisa da Noruega tornou essa descoberta possível. Este investimento já contribuiu para novos insights fundamentais sobre metais.

Os pesquisadores estudaram ligas de alumínio, zinco e magnésio, conhecidas como ligas de Al da série 7xxx. Essas ligas de metal leve estão se tornando cada vez mais importantes nas indústrias automotiva e aeroespacial.

"Encontramos aglomerados com raio de 1,9 nanômetro enterrados no alumínio. Embora numerosos, são difíceis de observar ao microscópio. Só conseguimos identificar a estrutura atômica em condições experimentais especiais, "diz Lervik.

Essa é parte da razão pela qual ninguém fez isso antes. Realizar os experimentos é complicado e requer equipamentos experimentais modernos e avançados.

"Experimentamos várias vezes como isso era complicado. Mesmo tendo conseguido tirar uma foto dos clusters e poder extrair algumas informações sobre sua composição, levou vários anos até que entendêssemos o suficiente para sermos capazes de descrever a estrutura nuclear, "diz Lervik.

Então, o que exatamente torna este trabalho tão especial? No passado, as pessoas presumiram que os agregados consistem em elementos de liga, alumínio e talvez vagas (quadrados vazios) que são mais ou menos dispostos aleatoriamente.

"Descobrimos que podemos descrever todos os clusters que observamos com base em uma figura espacial geométrica única chamada de 'octaedro de cubo truncado, '", diz Lervik.

Bem aqui, qualquer pessoa sem formação em física ou química pode querer ler as próximas seções ou pular direto para o título do meio "Importante para compreender o tratamento térmico".

Para entender a ilustração acima, devemos primeiro aceitar que um cristal de alumínio (bloco quadrado) pode ser visualizado como uma pilha de cubos, cada um com átomos nos 8 cantos e 6 lados.

Esta estrutura é uma rede cúbica centrada no lado atômico. A figura geométrica é como um cubo, com uma camada externa formada a partir dos cubos circundantes. Nós o descrevemos como três camadas ao redor do cubo central:uma para os lados, um para os cantos e a casca externa. Essas cascas consistem em 6 zinco, 8 átomos de magnésio e 24 átomos de zinco, respectivamente.

O meio do corpo (cubo) pode conter um átomo extra - um 'intersticial' - que nesta ilustração pode ser descrito como estando localizado entre os espaços (quadrados) de alumínio.

Esta única figura explica ainda mais todas as unidades de cluster maiores por sua capacidade de se conectar e expandir em três direções definidas. A imagem também explica observações previamente relatadas por outros. Essas unidades de agrupamento são o que contribuem para o aumento da resistência durante o envelhecimento.

Importante para entender o tratamento térmico

"Por que isso é legal? É legal porque o envelhecimento natural geralmente não é a última etapa no processamento de uma liga antes de estar pronta para ser usada, "diz Lervik.

Essas ligas também passam por um tratamento térmico final em altas temperaturas (130-200 ° C) para formar precipitados maiores com estruturas cristalinas definidas. Eles unem os planos atômicos (folhas) ainda mais firmemente e os fortalecem consideravelmente.

"Acreditamos que entender a estrutura atômica dos aglomerados formados pelo envelhecimento natural é essencial para entender melhor o processo de formação dos precipitados que determinam muitas das propriedades do material. Os precipitados se formam nos aglomerados ou os aglomerados se transformam em precipitados durante tratamento térmico? Como isso pode ser otimizado e utilizado? Nosso trabalho futuro tentará responder a essas perguntas, "diz Lervik.