Um modelo de 70 anos usado para prever a microestrutura dos materiais não funciona para os materiais de hoje, dizem pesquisadores da Carnegie Mellon University em Ciência . Uma técnica de microscopia desenvolvida por Carnegie Mellon e Argonne National Laboratory produz evidências que contradizem o modelo convencional e aponta o caminho para o uso de novos tipos de caracterizações para prever propriedades - e, portanto, a segurança e durabilidade de longo prazo - de novos materiais.

Se um metalúrgico descobrisse uma liga que poderia melhorar drasticamente o desempenho de uma aeronave, poderia levar até vinte anos antes que um passageiro pudesse embarcar em um avião feito dessa liga. Sem nenhuma maneira de prever como um material mudará quando for submetido aos estressores do processamento ou do uso diário, pesquisadores usam tentativa e erro para estabelecer a segurança e durabilidade de um material. Esse processo demorado é um gargalo significativo para a inovação de materiais.

Os professores Gregory Rohrer e Robert Suter do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Carnegie Mellon University e do Departamento de Física descobriram novas informações que ajudarão os cientistas de materiais a prever como as propriedades dos materiais mudam em resposta a estressores, como temperaturas elevadas. Usando microscopia de difração de alta energia de campo próximo (HEDM), eles descobriram que o modelo estabelecido para prever a microestrutura e as propriedades de um material não se aplica a materiais policristalinos e um novo modelo é necessário.

Para o olho, metais mais comumente usados, ligas e cerâmicas usadas em produtos e equipamentos industriais e de consumo parecem ser uniformemente sólidas. Mas no nível microscópico, eles são policristalinos, formada por agregados de grãos de diferentes tamanhos, formas e orientações de cristal. Os grãos são amarrados por uma rede de limites de grãos que mudam quando expostos a fatores de estresse, alterando as propriedades do material.

Quando eles fazem um novo material, os cientistas precisam controlar sua microestrutura, que inclui seus limites de grãos. Os cientistas de materiais manipulam a densidade dos limites dos grãos para atender a diferentes necessidades. Por exemplo, a estrutura ao redor da cabine de passageiros em um carro é feita de um aço de ultra-alta resistência que contém mais limites de grãos do que os painéis estéticos da carroceria na zona de deformação frontal do carro.

Nos últimos 70 anos, os pesquisadores previram o comportamento dos materiais usando uma teoria que afirma que a velocidade com que os limites dos grãos se movem ao longo de um material aquecido está correlacionada à forma dos limites. Rohrer e Suter mostraram que esta teoria, formulado para descrever o caso mais ideal, não se aplica a policristais reais.

Os policristais são mais complicados do que os casos ideais estudados no passado. Rohrer explicou, "Se considerarmos um único limite de grão em um cristal, pode se mover sem interrupção, como um carro dirigindo por uma estrada vazia. Em policristais, cada limite de grão está conectado, na média, dez outros, então é como se aquele carro atingisse o tráfego - ele não pode mais se mover tão livremente. Portanto, este modelo não é mais válido. "Além disso, Rohrer e Suter descobriram que muitas vezes os limites dos grãos policristais nem mesmo se moviam na direção que o modelo teria previsto.

HEDM, uma técnica que foi iniciada por Suter e colegas usando a Fonte Avançada de Fótons (APS) do Laboratório Nacional de Argonne, foi a chave para essas descobertas. O HEDM e suas técnicas associadas permitem aos pesquisadores obter imagens de milhares de cristais de forma não destrutiva e medir suas orientações em metais e cerâmicas opacos. A técnica requer raios X de alta energia disponíveis apenas em uma das poucas fontes síncrotron ao redor do mundo.

"É como ter uma visão de raio-X 3D, "disse Suter." Antes, você não pode olhar para os grãos de um material sem cortá-lo. O HEDM nos permite visualizar de forma não invasiva as orientações e limites dos grãos conforme eles evoluem com o tempo. "

O desenvolvimento do HEDM começou há cerca de 20 anos e continua até hoje. O grupo de Suter trabalhou com cientistas da APS para desenvolver procedimentos para a coleção sincronizada de milhares de imagens de padrões de difração de raios-X de uma amostra de material enquanto ela passa por uma rotação precisa em um feixe incidente intenso. Códigos de computador de alto desempenho desenvolvidos pelo grupo de pesquisa de Suter convertem os conjuntos de imagens em mapas tridimensionais dos grãos cristalinos que compõem a microestrutura do material.

Dez anos atrás, O grupo de Suter (incluindo alunos de pós-graduação em física Chris Hefferan, Shiu-Fai Li, e Jon Lind) mediu repetidamente uma amostra de níquel após sucessivos tratamentos de alta temperatura, resultando nas primeiras observações dos movimentos individuais dos limites dos grãos. Esses movimentos falharam em mostrar o comportamento sistemático previsto pela teoria de 70 anos. O ponto de vista desenvolvido pelos pesquisadores da Carnegie Mellon no artigo da Science correlaciona a estrutura do contorno do grão com os comportamentos sistemáticos observados nos dados experimentais do HEDM.

Embora a análise atual seja baseada em um único material, níquel, A microscopia de difração de raios-X está sendo usada em muitos materiais e Rohrer e Suter acreditam que muitos desses materiais demonstrarão um comportamento semelhante ao observado no níquel. Aplicações semelhantes a outras condições de processamento de materiais também estão sendo estudadas.

Esta pesquisa foi financiada pelo programa Designing Materials to Revolutionize and Engineer the Future (DRMEF) da National Science Foundation. O subsídio de quatro anos da equipe foi renovado por $ 1,8 milhão de dólares a partir de 1º de outubro, 2021. Carnegie Mellon's Kaushik Dayal, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Elizabeth Holm, Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, e David Kinderlehrer, O Departamento de Ciências Matemáticas também estará envolvido nas próximas etapas da pesquisa estudando como e por que os policristais se comportam dessa forma em diferentes materiais. Professores Carl Krill (Universidade de Ulm, Alemanha) e Amanda Krause (Universidade da Flórida) também fazem parte da colaboração.