p Cientistas do Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia e da Universidade do Tennessee, Knoxville, descobriram uma maneira de aumentar simultaneamente a resistência e a ductilidade de uma liga, introduzindo minúsculos precipitados em sua matriz e ajustando seu tamanho e espaçamento. Os precipitados são sólidos que se separam da mistura de metal à medida que a liga esfria. Os resultados, publicado no jornal Natureza , vai abrir novos caminhos para o avanço de materiais estruturais. p A ductilidade é uma medida da capacidade de um material de sofrer deformação permanente sem quebrar. Determina, entre outras coisas, quanto um material pode alongar antes de fraturar e se esse fraturamento será gracioso ou catastrófico. Quanto maior for a resistência e a ductilidade, mais resistente é o material.

p "Um santo graal de materiais estruturais há muito tempo, como você aumenta simultaneamente a força e a ductilidade? ", disse Easo George, investigador principal do estudo e Presidente do Governador para Teoria e Desenvolvimento Avançado de Ligas no ORNL e UT. "Derrotar o equilíbrio entre resistência e ductilidade permitirá uma nova geração de peso leve, Forte, materiais tolerantes a danos. "

p Se os materiais estruturais pudessem se tornar mais fortes e dúcteis, componentes de carros, aviões, usinas de energia, edifícios e pontes poderiam ser construídos com menos material. Veículos mais leves seriam mais eficientes em termos de energia para fabricar e operar, e uma infraestrutura mais resistente seria mais resiliente.

p O co-investigador principal Ying Yang do ORNL concebeu e liderou o Natureza estude. Guiado por simulações de termodinâmica computacional, ela projetou e fez modelos de ligas personalizadas com a habilidade especial de passar por uma transformação de fase a partir de uma cúbica centrada na face, ou FCC, para uma cúbica centrada no corpo, ou BCC, estrutura de cristal, impulsionado por mudanças na temperatura ou estresse.

p "Colocamos nanoprecipitados em uma matriz transformável e controlamos cuidadosamente seus atributos, que por sua vez controlava quando e como a matriz se transformava, "Yang disse." Neste material, induzimos intencionalmente a matriz a ter a capacidade de sofrer uma transformação de fase. "

p A liga contém quatro elementos principais - ferro, níquel, alumínio e titânio - que formam a matriz e precipitam, e três elementos menores - carbono, zircônio e boro - que limitam o tamanho dos grãos, cristais metálicos individuais.

p Os pesquisadores mantiveram cuidadosamente a composição da matriz e a quantidade total de nanoprecipitados em diferentes amostras. Contudo, eles variavam os tamanhos e espaçamentos dos precipitados, ajustando a temperatura e o tempo de processamento. Para comparação, uma liga de referência sem precipitados, mas com a mesma composição da matriz da liga contendo precipitado, também foi preparada e testada.

p "A resistência de um material geralmente depende de quão próximos os precipitados estão uns dos outros, "George disse." Quando você os torna com alguns nanômetros [bilionésimos de metro] de tamanho, eles podem estar bem espaçados. Quanto mais espaçados eles estiverem, mais forte fica o material. "

p Embora os nanoprecipitados em ligas convencionais possam torná-los superfortes, eles também tornam as ligas muito frágeis. A liga da equipe evita essa fragilidade porque os precipitados desempenham uma segunda função útil:restringindo espacialmente a matriz, eles evitam que ele se transforme durante uma têmpera térmica, uma rápida imersão em água que resfria a liga até a temperatura ambiente. Consequentemente, a matriz permanece em um estado FCC metaestável. Quando a liga é então esticada ("esticada"), ele se transforma progressivamente de FCC metaestável em BCC estável. Esta transformação de fase durante o esforço aumenta a resistência, mantendo a ductilidade adequada. Em contraste, a liga sem precipitados se transforma totalmente em FCC estável durante a têmpera térmica, o que impede a transformação adicional durante o esforço. Como resultado, é mais fraco e mais quebradiço do que a liga com precipitados. Juntos, os mecanismos complementares de reforço de precipitação convencional e transformação induzida por deformação aumentaram a resistência em 20% -90% e o alongamento em 300%.

p "A adição de precipitados para bloquear deslocamentos e tornar os materiais ultra-resistentes é bem conhecida, "George disse." A novidade aqui é que ajustar o espaçamento desses precipitados também afeta a propensão à transformação de fase, que permite que vários mecanismos de deformação sejam ativados conforme necessário para aumentar a ductilidade. "

p O estudo também revelou uma reversão surpreendente do efeito normal de fortalecimento dos nanoprecipitados:uma liga com grosso, precipitados amplamente espaçados são mais fortes do que a mesma liga com finos, precipitados próximos. Essa reversão acontece quando os nanoprecipitados se tornam tão pequenos e compactados que a transformação de fase é essencialmente desligada durante a deformação do material, não muito diferente da transformação suprimida durante a têmpera térmica.

p Este estudo contou com técnicas complementares realizadas nas instalações de usuários do DOE Office of Science no ORNL para caracterizar os nanoprecipitados e os mecanismos de deformação. No Center for Nanophase Materials Sciences, tomografia de sonda atômica mostrou o tamanho, distribuição e composição química dos precipitados, enquanto a microscopia eletrônica de transmissão expôs detalhes atomísticos de regiões locais. No reator isotópico de alto fluxo, o espalhamento de nêutrons de pequeno ângulo quantificou a distribuição de precipitados finos. E na Fonte de Nêutrons de Espalação, a difração de nêutrons investigou a transformação de fase após diferentes níveis de deformação.

p "Esta pesquisa apresenta uma nova família de ligas estruturais, "Yang disse." As características do precipitado e a química da liga podem ser precisamente adaptadas para ativar os mecanismos de deformação exatamente quando necessário para impedir a compensação entre resistência e ductilidade. "

p Em seguida, a equipe investigará fatores adicionais e mecanismos de deformação para identificar combinações que podem melhorar ainda mais as propriedades mecânicas.

p Acontece que, há muito espaço para melhorias. "Os materiais estruturais de hoje percebem apenas uma pequena fração - talvez apenas 10% - de suas forças teoricamente capazes, "George disse." Imagine a economia de peso que seria possível em um carro ou avião - e a conseqüente economia de energia - se essa força pudesse ser dobrada ou triplicada, mantendo a ductilidade adequada. "

p O título do Natureza o papel é "Nanoprecipitados bifuncionais fortalecem e fertilizam uma liga de entropia média."