Desvendado segredo de metais mais fortes - com aplicação imediata

Redação do Site Inovação Tecnológica - 03/06/2022

Pela primeira vez, os pesquisadores descreveram como os minúsculos grãos cristalinos que compõem a maioria dos metais sólidos realmente se formam.
[Imagem: MIT]

Aplicações imediatas

A moldagem dos metais nas formas necessárias para construir objetos úteis pode ser feita de várias maneiras, incluindo fundição, usinagem, laminação e forjamento.

Esses processos afetam os tamanhos e formas dos minúsculos grãos cristalinos que compõem o metal, seja aço, alumínio, cobre ou qualquer outro metal ou liga metálica - em metalurgia, grão é um cristal identificável na matéria em estado sólido.

Em geral, quanto menor o tamanho desses minúsculos grãos, mais forte fica o metal. Melhorar a resistência e a tenacidade dos metais por meio da diminuição dos tamanhos dos grãos tem sido a principal agenda da metalurgia.

Ao longo dos séculos, mesmo antes de entender o que estava acontecendo em nível microscópico, os metalurgistas desenvolveram empiricamente uma variedade de métodos para reduzir os tamanhos dos grãos no metal sólido, geralmente transmitindo vários tipos de tensão de uma forma ou de outra - incluindo martelar o metal sobre uma bigorna.

Mas não é fácil tornar esses grãos menores.

Agora, pesquisadores do MIT conseguiram estudar exatamente o que acontece quando esses grãos de cristal se formam durante um processo de deformação extrema, nas menores escalas, até alguns nanômetros de diâmetro.

A compreensão desse processo promete levar a formas mais aprimoradas de processamento dos metais para produzir propriedades melhores e mais consistentes, como dureza e tenacidade - e os resultados obtidos pela equipe têm aplicação imediata na metalurgia como ela é feita hoje.

É possível também usar uma abordagem de baixo para cima, criando metais superduros a partir de nanopartículas.
[Imagem: Yasutaka Nagaoka et al. - 10.1016/j.chempr.2020.12.026]

Recristalização assistida por nanogeminação

O principal método para reduzir o tamanho do grão é chamado de recristalização, em que o metal é aquecido e deformado. Isso cria muitos pequenos defeitos em toda a peça, largamente disseminados, mas também altamente desordenados.

A grande novidade nesta nova forma de visualização reside em que foi possível determinar como esse processo ocorre em altíssima velocidade e nas menores escalas. Enquanto os processos típicos de conformação de metal, como forjamento ou laminação de chapas, podem ser bastante rápidos, esta nova análise permitiu visualizar processos que são várias ordens de magnitude mais rápidos.

"Nós usamos um laser para lançar partículas de metal em velocidades supersônicas. Dizer que isso acontece em um piscar de olhos seria um eufemismo incrível, porque você poderia fazer milhares delas em um piscar de olhos," disse o professor Christopher Schuh.

Esse processo de alta velocidade não é apenas uma curiosidade de laboratório. "Existem processos industriais em que as coisas acontecem nessa velocidade," disse Schuh, citando usinagem de alta velocidade, moagem de alta energia de pó metálico e um método chamado pulverização a frio (cold spray), para formar revestimentos.

O resultado foi a descoberta do que Schuh diz ser um "novo caminho" pelo qual os grãos estavam se formando até a escala nanométrica. O novo caminho, que a equipe batizou de "recristalização assistida por nanogeminação", é uma variação de um fenômeno conhecido em metais chamado de geminação, um tipo particular de defeito no qual parte da estrutura cristalina muda sua orientação.

É uma "inversão da simetria de espelho, e você acaba obtendo esses padrões listrados onde o metal inverte sua orientação e volta novamente, como um padrão de espinha de peixe," descreveu o pesquisador. Os experimentos mostraram que, quanto maior a taxa desses impactos, mais esse processo ocorre, gerando grãos cada vez menores à medida que esses "gêmeos" em nanoescala se fragmentam em novos grãos de cristal.

Cobre 10 vezes mais resistente

Nos experimentos que a equipe fez usando cobre, o processo de bombardear a superfície com essas minúsculas partículas em alta velocidade conseguiu aumentar a resistência do metal cerca de 10 vezes.

"Esta não é uma mudança pequena nas propriedades," disse Schuh, e esse resultado não é surpreendente, uma vez que é uma extensão do conhecido efeito de endurecimento que vem dos golpes de martelo do forjamento comum. "Este é um tipo de fenômeno de hiperforjamento," acrescentou.

Como os resultados obtidos pela equipe fornecem orientação precisa sobre o grau de deformação necessário, a rapidez com que essa deformação ocorre e as temperaturas a serem usadas para obter o efeito máximo para quaisquer metais específicos ou métodos de processamento, eles podem ser aplicados direta e imediatamente à produção de metais do mundo real, garante a equipe.

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