Pesquisadores descobrem liga metálica excêntrica que não quebra em temperaturas extremas em nível atômico
Um mapa da estrutura cristalina da liga feito com difração de retroespalhamento de elétrons em um microscópio eletrônico de varredura. Cada cor representa uma seção do cristal onde a estrutura repetitiva muda sua orientação 3D. Crédito:Berkeley Lab Uma liga metálica composta de nióbio, tântalo, titânio e háfnio chocou os cientistas de materiais com sua impressionante resistência e tenacidade em temperaturas extremamente quentes e frias, uma combinação de propriedades que até agora parecia quase impossível de alcançar.
Neste contexto, a resistência é definida como quanta força um material pode suportar antes de ser permanentemente deformado da sua forma original, e a tenacidade é a sua resistência à fratura (fissuração). A resiliência da liga à flexão e fratura em uma enorme variedade de condições poderia abrir as portas para uma nova classe de materiais para motores de próxima geração que podem operar com eficiências mais altas.
A equipe, liderada por Robert Ritchie do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) e da UC Berkeley, em colaboração com os grupos liderados pelos professores Diran Apelian da UC Irvine e Enrique Lavernia da Texas A&M University, descobriu as propriedades surpreendentes da liga e então descobriu como eles surgem de interações na estrutura atômica. O trabalho deles é descrito em um estudo publicado na Science .
"A eficiência da conversão de calor em eletricidade ou empuxo é determinada pela temperatura na qual o combustível é queimado - quanto mais quente, melhor. No entanto, a temperatura operacional é limitada pelos materiais estruturais que devem suportá-la, "disse o primeiro autor David Cook, um Ph.D. estudante no laboratório de Ritchie. "Esgotamos a capacidade de otimizar ainda mais os materiais que usamos atualmente em altas temperaturas, e há uma grande necessidade de novos materiais metálicos. É nisso que esta liga se mostra promissora."
A liga neste estudo pertence a uma nova classe de metais conhecida como ligas refratárias de alta ou média entropia (RHEAs/RMEAs). A maioria dos metais que vemos em aplicações comerciais ou industriais são ligas feitas de um metal principal misturado com pequenas quantidades de outros elementos, mas RHEAs e RMEAs são feitos pela mistura de quantidades quase iguais de elementos metálicos com temperaturas de fusão muito altas, o que lhes dá propriedades únicas que os cientistas ainda estão desvendando.
O grupo de Ritchie vem investigando essas ligas há vários anos devido ao seu potencial para aplicações em altas temperaturas.
"Nossa equipe fez trabalhos anteriores em RHEAs e RMEAs, e descobrimos que esses materiais são muito fortes, mas geralmente possuem tenacidade à fratura extremamente baixa, e é por isso que ficamos chocados quando esta liga apresentou tenacidade excepcionalmente alta", disse o co-autor correspondente. Punit Kumar, pesquisador de pós-doutorado do grupo.
De acordo com Cook, a maioria dos RMEAs tem uma tenacidade à fratura inferior a 10 MPa√m, o que os torna alguns dos metais mais frágeis já registrados. Os melhores aços criogênicos, especialmente projetados para resistir à fratura, são cerca de 20 vezes mais resistentes que esses materiais. No entanto, o nióbio, o tântalo, o titânio e o háfnio (Nb45 Ta25 Ti15 Hf15 ) A liga RMEA foi capaz de vencer até mesmo o aço criogênico, sendo 25 vezes mais resistente do que os RMEAs típicos em temperatura ambiente.
Mas os motores não funcionam à temperatura ambiente. Os cientistas avaliaram a resistência e a tenacidade em cinco temperaturas no total:-196°C (a temperatura do nitrogênio líquido), 25°C (temperatura ambiente), 800°C, 950°C e 1200°C. A última temperatura é cerca de 1/5 da temperatura da superfície do sol.
A equipe descobriu que a liga tinha maior resistência no frio e se tornava um pouco mais fraca à medida que a temperatura subia, mas ainda apresentava números impressionantes em toda a ampla faixa. A tenacidade à fratura, calculada a partir da força necessária para propagar uma trinca existente em um material, foi alta em todas as temperaturas.
Desvendando os arranjos atômicos
Quase todas as ligas metálicas são cristalinas, o que significa que os átomos dentro do material estão dispostos em unidades repetidas. Contudo, nenhum cristal é perfeito; todos eles contêm defeitos. O defeito mais proeminente que se move é chamado de deslocamento, que é um plano inacabado de átomos no cristal. Quando uma força é aplicada a um metal, ela faz com que muitas discordâncias se movam para acomodar a mudança de forma.
Por exemplo, quando você dobra um clipe de papel feito de alumínio, o movimento dos deslocamentos dentro do clipe de papel acomoda a mudança de forma. No entanto, o movimento das discordâncias torna-se mais difícil a temperaturas mais baixas e, como resultado, muitos materiais tornam-se frágeis a baixas temperaturas porque as discordâncias não podem mover-se. É por isso que o casco de aço do Titanic fraturou ao atingir um iceberg.
Elementos com altas temperaturas de fusão e suas ligas levam isso ao extremo, com muitos permanecendo frágeis até 800°C. No entanto, este RMEA contraria a tendência, resistindo mesmo a temperaturas tão baixas como o azoto líquido (-196°C).
Para entender o que estava acontecendo dentro do notável metal, o co-investigador Andrew Minor e sua equipe analisaram as amostras estressadas juntamente com amostras de controle não dobradas e não rachadas, usando microscopia eletrônica de transmissão de varredura quadridimensional (4D-STEM) e microscopia eletrônica de transmissão de varredura (STEM). no Centro Nacional de Microscopia Eletrônica, parte da Fundição Molecular do Berkeley Lab.
Os dados da microscopia eletrônica revelaram que a tenacidade incomum da liga vem de um efeito colateral inesperado de um defeito raro chamado faixa de torção. Bandas torcidas se formam em um cristal quando uma força aplicada faz com que as tiras do cristal entrem em colapso e se dobrem abruptamente.
A direção na qual o cristal se dobra nessas tiras aumenta a força sentida pelos deslocamentos, fazendo com que se movam com mais facilidade. No nível do volume, esse fenômeno faz com que o material amoleça (o que significa que menos força deve ser aplicada ao material à medida que ele é deformado).
A equipe sabia, por meio de pesquisas anteriores, que bandas de torção se formavam facilmente em RMEAs, mas presumiu que o efeito de amolecimento tornaria o material menos resistente, facilitando a propagação de uma rachadura pela rede. Mas, na realidade, este não é o caso.
"Mostramos, pela primeira vez, que na presença de uma fissura acentuada entre os átomos, as bandas de torção realmente resistem à propagação de uma fissura, distribuindo os danos para longe dela, evitando a fratura e levando a uma resistência à fratura extraordinariamente alta", disse Cook.
O Nb45 Ta25 Ti15 Hf15 A liga precisará passar por muito mais pesquisas fundamentais e testes de engenharia antes que qualquer coisa como uma turbina de avião a jato ou um bocal de foguete SpaceX seja feita a partir dela, disse Ritchie, porque os engenheiros mecânicos exigem, com razão, uma compreensão profunda de como seus materiais funcionam antes de usá-los em o mundo real. No entanto, este estudo indica que o metal tem potencial para construir os motores do futuro.
