Metais com grãos de cristal em nanoescala são superfortes, embora não retenham sua estrutura em altas temperaturas. Como resultado, é um desafio explorar sua alta resistência durante as aplicações de materiais. Em um novo relatório agora publicado em Ciência , X. Y. Li e uma equipe de cientistas em ciência de materiais e engenharia da Academia Chinesa de Ciências e da Universidade Shanghai Jiaotong na China, encontraram uma estrutura de interface mínima em cobre (Cu) com grãos de 10 nanômetros, que eles combinaram com uma rede de geminação cristalográfica nanograin para reter alta resistência em temperaturas logo abaixo do ponto de fusão. A descoberta forneceu um caminho diferente para a obtenção de metais nanogravados estabilizados para aplicações em metalurgia e engenharia de materiais.

Travando a força em nanoescala

Os metais existem como sólidos policristalinos que são termodinamicamente instáveis ​​devido a seus limites de grão desordenados (GB) e tendem a ser mais estáveis ​​quando os limites de grão são eliminados para formar cristais únicos. Usando experimentos e simulações de dinâmica molecular Li et al. descobriram um tipo diferente de estado metaestável para cobre puro policristalino de granulação extremamente fina (Cu). Para policristais de granulação fina com uma densidade de contorno de grão alta o suficiente, a transformação em um estado amorfo metaestável é uma opção alternativa à estabilização e é antecipada do ponto de vista termodinâmico. Esses estados amorfos, Contudo, raramente se formam para a maioria das ligas metálicas e metais puros sob condições convencionais, portanto, ainda precisa ser entendido se outras estruturas metaestáveis ​​podem ser adotadas quando os grãos policristalinos são continuamente refinados em escalas extremamente pequenas.

Um estado metaestável em nanoescala

Por exemplo, quando os grãos de cobre (Cu) e níquel (Ni) são refinados a algumas dezenas de nanômetros de tamanho por meio de deformação plástica, o processo pode desencadear o relaxamento autônomo do contorno do grão em estados de baixa energia com dissociações do contorno do grão. Estruturas nanograinadas podem, portanto, evoluir para estados mais estáveis ​​ao se aproximar do extremo do tamanho do grão. Usando simulações experimentais e de dinâmica molecular (MD), Li et al. descobriram um estado metaestável em Cu puro policristalino com tamanhos de grãos de alguns nanômetros, formado pela evolução de limites de grão em estruturas de interface mínimas tridimensionais (3-D) restritas por meio de redes de limites gêmeos.

Durante os experimentos, a equipe usou um processo de deformação plástica de duas etapas de tratamento de retificação mecânica de superfície e torção de alta pressão em nitrogênio líquido para refinar grãos de cobre policristalino com pureza de 99,97 por cento em peso em nanoescala. Usando microscopia eletrônica de transmissão de campo claro, Li et al. obteve imagens dos grãos extremamente finos, onde o espécime apareceu como agregados irregulares ou cadeias conectadas entre si para formar redes contínuas. Os agregados eram feitos de vários grãos individuais de alguns nanômetros de tamanho. Os minúsculos cristalitos foram conectados uns aos outros através de limites atomicamente finos e a equipe não detectou fases amorfas ou poros.

Caracterizando os grãos

Li et al. caracterizou os grãos individuais do material inclinando os espécimes sob microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução para resolver suas imagens de rede e identificou geometrias diversas para muitos grãos individuais. As formas dos grãos se assemelhavam a um octaedro truncado; uma opção favorável para grãos menores que 10 nanômetros. A equipe determinou a estabilidade térmica de amostras de Cu preparadas com um tamanho de grão médio de 10 nm por meio de recozimento isotérmico em várias temperaturas. Li et al. detectou mais gêmeos nos grãos recozidos, potencialmente devido a uma maior dissociação dos limites dos grãos durante o recozimento a temperaturas elevadas. Ao elevar as temperaturas acima de 1357 K, os cientistas induziram o derretimento, ponto em que todos os nanograins desapareceram.

Eles então prepararam outra amostra com grãos maiores para comparação com o mesmo processo, mas com menor tensão. As observações apoiaram a ideia de que relaxamentos de contorno de grão em policristais com tamanho de grão menor melhorarão a estabilidade. Usando experimentos de nanoindentação, eles notaram estabilidade incomum para os grãos extremamente bem refinados na estrutura policristalina.

A equipe então configurou um modelo atomístico para investigar a excelente estabilidade dos grãos de cobre extremamente finos. Para conseguir isso, eles construíram uma supercélula Kelvin estendida em referência ao modelo Kelvin, com 16 grãos truncados em forma de octaedra de tamanho igual e reconhecidas as características fundamentais das redes de contorno de grãos. A equipe também escolheu um policristal Kelvin estendido com um tamanho de grão inicial de 3,27 nm como estrutura inicial para simplicidade e conduziu simulações de MD (dinâmica molecular) para relaxar a amostra, aquecendo-a em diferentes temperaturas-alvo. Durante o relaxamento dinâmico molecular e aquecimento subsequente, os limites dos grãos no policristal Kelvin estendido se transformaram em estruturas diferentes por meio de eventos variados.

Enquanto alguns grãos encolheram e finalmente desapareceram com o aquecimento devido à migração dos limites dos grãos, toda a rede de limites de grãos não entrou em colapso, em vez disso, fundindo-se e desenvolvendo-se em diferentes formas para se assemelhar topologicamente à superfície Schwarz D (superfícies periódicas em três dimensões). De acordo com os resultados do MD, a transformação foi conduzida termodinamicamente. Adicionalmente, a estrutura policristalina com interfaces Schwarz D era mais estável do que os policristais Kelvin.

O papel da estrutura D de Schwarz

A estrutura Schwarz D obtida neste trabalho permaneceu estável em temperaturas elevadas. Em vez de engrossar, a rugosidade do contorno do grão ocorreu à medida que o ponto de fusão se aproximava; em que ponto a fase líquida foi nucleada heterogeneamente em 1321 K, sugerindo que a estabilidade térmica superior seja limitada cineticamente pelo derretimento de contorno de grão. A equipe conduziu testes de carga de tração uniaxial na estrutura Schwarz D restrita por limite duplo coerente (CTB) em várias temperaturas e deformações. Eles creditaram o modo primário de deformação observada à geminação e a tensão crítica correspondente à geminação incipiente era dependente da temperatura.

Perspectivas para o cristal Schwarz no desenvolvimento de materiais

Desta maneira, com base em experimentos e simulações de MD, X. Y. Li e colegas confirmaram a capacidade de alcançar estabilidade pronunciada em cobre policristalino (Cu) com grãos nanométricos. Eles se referiram à estrutura observada como um cristal de Schwarz - um tipo diferente de estado metaestável para sólidos policristalinos, que difere fundamentalmente dos estados sólidos amorfos. O aparecimento do cristal de Schwarz é esperado em diferentes metais e ligas por meio da ativação de mecanismos de geminação em nanoescala. O cristal Cu Schwarz puro continha uma densidade muito alta de interfaces e exibia estabilidade térmica tão alta quanto a de um único cristal, e muito mais alto do que os sólidos amorfos.

A estrutura proporcionará oportunidades emergentes para explorar fenômenos físicos e químicos de metais relativos à dinâmica de transporte de átomos e elétrons em interfaces e durante as interações de defeitos em altas temperaturas na ciência dos materiais. O cristal de Schwarz permitiu elevada estabilidade e resistência com grãos refinados em uma escala extremamente fina. O trabalho ajudará a superar as dificuldades presentes nas estratégias tradicionais de desenvolvimento de materiais. O cristal Schwarz deve ser acessível em outros materiais, também, para fornecer uma direção diferente para desenvolver materiais fortes e estáveis ​​para aplicações de alta temperatura.

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