p As estruturas mecânicas são tão sólidas quanto os materiais de que são feitas. Por décadas, os pesquisadores estudaram os materiais dessas estruturas para ver por que e como elas falham. Antes da falha catastrófica, existem rachaduras ou deslocamentos individuais que se formam, que são sinais de que uma estrutura pode estar enfraquecendo. Embora os pesquisadores tenham estudado deslocamentos individuais no passado, uma equipe da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, a Universidade do Tennessee, e o Oak Ridge National Laboratory tornou possível entender como os deslocamentos se organizam e reagem em nanoescala. p "Os metais são feitos de policristais e os cristais têm átomos dispostos de forma ordenada, "explicou o autor principal Jian-Mu Zuo, Ivan Racheff Professor de Ciência e Engenharia de Materiais e afiliado do Laboratório de Pesquisa de Materiais Frederick Seitz em Illinois. “À medida que a força é aplicada nesses metais, o cristal deslizará e se moverá um contra o outro. Uma estrutura como uma ponte pode ter muitos deslocamentos, que pode se mover, mas a quantidade de movimento é tão pequena, não tem uma consequência. Contudo, como milhares ou dezenas de milhares de deslocamentos emaranhados dentro de um metal, e eles produzem estresse local. Esta organização pode levar à deformação repentina, como uma avalanche de neve. Isso é muito dramático e muito mais difícil de controlar. "

p O time, que também inclui a física de matéria condensada de Illinois, Karin Dahmen, publicou seus resultados em Física das Comunicações . O trabalho experimental foi feito pelo Dr. Yang Hu, como parte de sua tese de doutorado.

p Até este estudo, os pesquisadores não conseguiam entender o mecanismo por trás da avalanche de deslocamento dentro de uma estrutura. Contudo, a equipe de Illinois descobriu que uma série de deslocamentos se acumulando formando uma barragem para proibir o movimento. Atrás da barragem estão deslocamentos emaranhados. Assim que houver pressão suficiente, uma avalanche se forma fazendo com que a barragem ceda e o movimento repentino dos deslocamentos emaranhados, o que enfraquece o metal e pode levar a uma falha catastrófica. Por ter uma melhor compreensão deste processo, este estudo promete ajudar no desenvolvimento de materiais ainda mais fortes no futuro e prever melhor quando uma estrutura pode estar em perigo.

p Para estudar os deslocamentos, que se parecem com cordas de até 10-9 metros de largura, eles acompanharam o desenvolvimento das avalanches de deslocamento nos nanopilares comprimidos de uma liga de alta entropia (HEA). O HEA tem a mesma estrutura média do cobre ou ouro. Mas os átomos estão dispostos de forma a permitir que os pesquisadores façam medições simultâneas e correlacionem o movimento de deslocamento com a resposta mecânica e identifiquem exatamente onde ocorre a avalanche. Ao identificar as bandas de deslocamento, os pesquisadores são capazes de observar o que acontece antes, no decorrer, e depois da avalanche.

p "As pessoas entenderam como os deslocamentos individuais se movem, mas até este ponto eles não entenderam como se movem juntos de repente, Zuo observou. "Nossa inovação é usar um novo material (o HEA) para estudar um problema muito antigo e desenvolver essa técnica para fazê-lo."

p Como os deslocamentos normalmente se estruturam em mícrons de distância (pense na rede de rachaduras em uma camada de gelo após caminhar sobre ela), torna difícil localizar um único evento olhando para eles dentro de um microscópio que só funciona com amostras finas (dentro de um microscópio eletrônico de transmissão, a espessura da amostra é normalmente inferior a um mícron).

p "Em um metal convencional, os deslocamentos estão muito distantes do que podemos ver ao mesmo tempo, portanto, eles desaparecem na superfície ", explicou Zuo." um metal deformado tem feixes de deslocamentos, mas apenas alguns que estão realmente ativos. Por causa disso, alguns estudiosos comentaram quando as pessoas olham para a deformação posterior no metal, é como visitar um cemitério de deslocamento. "

p Para testemunhar uma única avalanche completa, Zuo e sua equipe precisavam encontrar um material onde o deslocamento interaja em uma escala muito menor. O HEA é um novo tipo de liga composta por cinco elementos metálicos diferentes (Al0.1CoCrFeNi). Como cada átomo de metal tem um tamanho diferente e o cristal é distorcido, ele retarda o deslocamento, tornando possível armazenar muitos deslocamentos e uma avalanche em um volume relativamente pequeno.

p Os pesquisadores de Illinois conseguiram medir o deslocamento por meio de uma técnica chamada nanoindentação. Eles pegam um pedaço de HEA e usam um feixe de íons para fabricar um nanopilar e aplicar a força ao nanopilar com uma pequena ponta de diamante plana de um nanoindentador.

p "Este material nos permite olhar para deslocamentos em nanoescala (500 nanômetros), "disse Zuo, explicando o processo. "Temos um laboratório mecânico que aplica uma força a uma amostra de teste dentro de um microscópio eletrônico. Conforme a tensão é aplicada, a amostra deforma. Quando o estresse excede o estresse necessário para o deslocamento se mover dentro do nanopilar, o deslocamento se multiplicará. À medida que o deslocamento se move e encontra uma resistência, eles diminuem a velocidade e se enredam, formando uma banda de deslocamento. Se você pensar no estresse como fluxo de água, então a avalanche de deslocamento é como o rompimento de uma represa e a água subitamente correndo. O HEA possibilita a observação. "

p Os resultados do processo são duas medições - primeiro uma medição mecânica, que permite aos pesquisadores estudar quanta força é necessária para os deslocamentos se moverem e por quanto, E em segundo lugar, geração de imagens de elétrons para capturar o movimento de deslocamento em um vídeo. Nenhum estudo anterior foi capaz de acoplar imagem eletrônica e medição de força mecânica para estudar avalanches de deslocamento.

p "A partir de estudos acumulativos anteriores, sabíamos como os deslocamentos são produzidos e pudemos estudar o que foi deixado para trás, "Zuo disse." Este estudo fornece uma resposta crítica de como os deslocamentos interagem. "

p Zuo acrescenta que esse tipo de medição pode ser usado para desenvolver teoria e modelos computacionais que serão usados ​​para prever como os materiais se comportarão sob certas tensões.

p "Isso é importante porque a falha catastrófica começa com esse tipo de deformação repentina, "Zuo disse." Seremos capazes de prever melhor a ação antes que haja uma falha catastrófica. Isso, por sua vez, deve levar ao desenvolvimento de materiais muito mais resistentes. "

p Este estudo coincide com grandes esforços em todo o campus de Illinois para usar o HEA para reatores nucleares e aplicações de alta temperatura.

p "HEAs são estáveis ​​em altas temperaturas e podem acomodar muita tensão, "Disse Zuo." Se entendermos a estrutura do deslocamento, ajudará a desenvolver materiais para aplicações muito desafiadoras. "