A fadiga do metal pode levar a falhas abruptas e às vezes catastróficas em peças que sofrem cargas repetidas, ou estresse. É a principal causa de falha em componentes estruturais de tudo, desde aeronaves e espaçonaves a pontes e centrais de energia. Como resultado, tais estruturas são tipicamente construídas com amplas margens de segurança que aumentam os custos.

Agora, Uma equipe de pesquisadores do MIT e do Japão e da Alemanha encontrou uma maneira de reduzir significativamente os efeitos da fadiga ao incorporar uma nanoestrutura laminada ao aço. A estrutura em camadas dá ao aço uma espécie de resiliência semelhante à do osso, permitindo que se deforme sem permitir a propagação de microfissuras que podem levar à falha por fadiga.

Os resultados são descritos em um artigo na revista Ciência por C. Cem Tasan, o Professor de Desenvolvimento de Carreira de Metalurgia Thomas B. King no MIT; Meimei Wang, um pós-doutorado em seu grupo; e seis outros na Universidade de Kyushu no Japão e no Instituto Max Planck na Alemanha.

"Cargas em componentes estruturais tendem a ser cíclicas, "Tasan diz. Por exemplo, um avião passa por mudanças repetidas de pressurização durante cada voo, e os componentes de muitos dispositivos se expandem e contraem repetidamente devido aos ciclos de aquecimento e resfriamento. Embora esses efeitos normalmente estejam muito abaixo dos tipos de cargas que fariam os metais mudarem de forma permanentemente ou falharem imediatamente, eles podem causar a formação de microfissuras, que ao longo de ciclos repetidos de estresse se espalhou um pouco mais e mais, em última análise, criando uma área fraca o suficiente para que toda a peça possa se quebrar repentinamente.

"A maioria das falhas inesperadas [de peças de metal estruturais] são devido à fadiga, "Tasan diz. Por esta razão, grandes fatores de segurança são usados ​​no projeto do componente, levando a maiores custos durante a produção e vida útil do componente.

Tasan e sua equipe foram inspirados pela maneira como a natureza lida com o mesmo tipo de problema, tornando os ossos leves, mas muito resistentes à propagação de fissuras. Um fator importante na resistência à fratura do osso é sua estrutura mecânica hierárquica, então a equipe investigou microestruturas que imitariam isso em uma liga de metal.

A questão era, ele diz, "Podemos projetar um material com uma microestrutura que torne mais difícil a propagação de fissuras, mesmo se eles nuclearem? "O osso forneceu uma pista de como fazer isso, por meio de sua microestrutura hierárquica, isto é, a forma como suas estruturas internas têm diferentes padrões de vazios e conexões em muitas escalas de comprimento diferentes, com uma estrutura interna semelhante a uma treliça - que combina força com leveza.

A equipe desenvolveu um tipo de aço que possui três características principais, que se combinam para limitar a propagação de rachaduras que se formam. Além de ter uma estrutura em camadas que tende a evitar que as rachaduras se espalhem para além das camadas onde começam, o material possui fases microestruturais com diferentes graus de dureza, que se complementam, então, quando uma rachadura começa a se formar, "toda vez que ele deseja se propagar mais, ele precisa seguir um caminho que consome muita energia, "e o resultado é uma grande redução dessa propagação. Além disso, o material tem uma composição metaestável; pequenas áreas dentro dele estão posicionadas entre diferentes estados estáveis, alguns mais flexíveis do que outros, e suas transições de fase podem ajudar a absorver a energia de rachaduras que se espalham e até mesmo fazer com que as rachaduras se fechem novamente.

Para entender melhor os papéis relativos dessas três características, a equipe comparou os aços com uma combinação de duas das três propriedades principais. Nenhum deles funcionou tão bem quanto a combinação de três vias, ele diz. "Isso nos mostrou que nossa modificação tem melhor resistência à fadiga do que qualquer uma dessas."

O teste de tais materiais em condições realistas é difícil de fazer, Tasan explica, em parte por causa da "extrema sensibilidade desses materiais a defeitos superficiais. Se você arranhar, vai falhar muito mais rápido. ”Portanto, a preparação e a inspeção meticulosa das amostras de teste são essenciais.

Essa descoberta é apenas um primeiro passo, Tasan diz, e resta saber o que seria necessário para aumentar o material para as quantidades que poderiam ser comercializadas, e quais aplicativos se beneficiariam mais. "A economia sempre entra nisso, "ele diz." Eu sou um metalúrgico, e este é um novo material com propriedades interessantes. Grandes indústrias, como automotiva ou aeroespacial, são muito cuidadosas ao fazer alterações nos materiais, pois traz esforço e custos extras. "

Mas é provável que haja vários usos em que o material seria uma vantagem significativa. "Para aplicações críticas, [os benefícios] são tão críticos que a mudança vale o trabalho extra "sobre o custo, ele diz. "Esta é uma liga que seria mais cara do que um aço básico de baixo carbono, mas os benefícios da propriedade têm se mostrado bastante excepcionais, e é com quantidades muito menores de metais de liga (e, portanto, custos) do que outros materiais propostos. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.