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Um novo tratamento testado em uma liga de aço de alta qualidade produz resistência e plasticidade extraordinárias, duas características que normalmente devem ser equilibradas em vez de combinadas. Grãos de metal ultrafinos que o tratamento produzido na camada mais externa de aço parece esticar, girar e alongar sob tensão, conferindo superplasticidade de uma forma que os pesquisadores da Purdue University não conseguem explicar completamente.
Os pesquisadores trataram o T-91, uma liga de aço modificada que é usada em aplicações nucleares e petroquímicas, mas disseram que o tratamento poderia ser usado em outros lugares onde o aço dúctil forte seria benéfico, como eixos de carros, cabos de suspensão e outros componentes estruturais. . A pesquisa, que foi realizada em colaboração com o Sandia National Laboratories e foi patenteada, apareceu na quarta-feira, 31 de maio, na Science Advances.
Mais intrigante ainda do que o resultado imediato de uma variante mais resistente e plástica do T-91 são as observações feitas em Sandia mostrando características do que a equipe está chamando de “nanolaminado” de grãos de metal ultrafinos, o tratamento criado em uma região que se estende desde o superfície até uma profundidade de cerca de 200 mícrons. As imagens de microscopia mostram uma deformação inesperada do aço tratado – apelidado de G-T91 (ou gradiente T91) – conforme é submetido a uma tensão crescente, disse Xinghang Zhang, principal autor e professor da Escola de Engenharia de Materiais em Purdue.
“Este é um processo complexo e a comunidade de pesquisa nunca viu esse fenômeno antes”, disse Zhang. “Por definição, o G-T91 está mostrando superplasticidade, mas o mecanismo exato que permite isso não está claro.”
Metais como o aço podem parecer monolíticos a olho nu, mas quando muito ampliados, uma barra de metal revela-se um conglomerado de cristais individuais chamados grãos. Quando um metal é submetido a tensão, os grãos são capazes de se deformar de tal forma que a estrutura metálica se mantém sem romper, permitindo que o metal se estique e dobre. Grãos maiores podem acomodar maior tensão do que grãos menores, a base para uma compensação fixa entre metais deformáveis de grão grande e metais fortes de grão pequeno.
No artigo da Science Advances, o principal autor Zhongxia Shang, um ex-aluno de pós-graduação no laboratório de Zhang, usou tensões de compressão e cisalhamento para quebrar grãos grandes na superfície de uma amostra de T-91 em grãos menores. Uma seção transversal da amostra mostra que o tamanho dos grãos aumenta da superfície, onde os menores grãos ultrafinos têm menos de 100 nanômetros de tamanho, para o centro do material, onde os grãos são 10 a 100 vezes maiores.
A amostra G-T91 modificada tinha um limite de escoamento de cerca de 700 megapascais, uma unidade de tensão, e resistiu a uma deformação uniforme de cerca de 10%, uma melhoria significativa em relação à resistência e plasticidade combinadas que podem ser alcançadas com o T-91 padrão.
“Esta é a beleza da estrutura, o centro é macio para que possa sustentar a plasticidade, mas, ao introduzir o nanolaminado, a superfície se tornou muito mais dura”, disse Shang, agora cientista da equipe de pesquisa do Birck Nanotechnology Center de Purdue. “Se você criar esse gradiente, com os grãos grandes no centro e os nanogrãos na superfície, eles se deformam sinergicamente. Os grãos grandes cuidam do alongamento e os grãos pequenos acomodam o estresse. E agora você pode fazer um material que tem uma combinação de resistência e ductilidade.”
Embora a equipe de pesquisa tenha levantado a hipótese de que o gradiente nanoestruturado G-T91 teria um desempenho melhor do que o padrão T-91, as imagens de microscopia eletrônica de varredura tiradas em intervalos durante o teste de tensão revelam um mistério. Imagens de difração de elétrons retroespalhados tiradas em um microscópio eletrônico de varredura em Sandia mostram como os grãos no nanolaminado do G-T91 mudam em intervalos crescentes de deformação verdadeira, uma medida de plasticidade, de 0% a 120%. No início do processo, os grãos são verticais, com formato que a equipe descreve como lenticular. Mas, à medida que a tensão aumenta, eles parecem se esticar em uma forma mais globular, depois giram e, finalmente, se alongam horizontalmente.
Zhang disse que as imagens mostram a interface entre os grãos – chamada de limite de grão – movendo-se, permitindo que os grãos se estiquem e girem e permitindo que o próprio aço se deforme plasticamente. A equipe obteve financiamento da National Science Foundation para investigar as regras que regem esse movimento nos contornos de grão, o que poderia possibilitar a compreensão do intrigante comportamento de deformação dos materiais gradientes.
“Se soubermos como eles se movem e por que se movem, talvez possamos encontrar uma maneira melhor de organizar os grãos. Ainda não sabemos como fazê-lo, mas abriu um potencial muito interessante”, disse Zhang.
“Aço de nanoestrutura gradiente com plasticidade de tração superior” foi possível com o apoio da National Science Foundation. A pesquisa realizada no Sandia foi apoiada por uma proposta de usuário no Centro de Nanotecnologias Integradas, uma instalação de usuário do Escritório de Ciências operada para o Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciências. Zhang e Shang foram acompanhados por Tianyi Sun, Jie Ding, Nicholas A. Richter e Haiyan Wang em Purdue, e pelos pesquisadores de Sandia Nathan M. Heckman, Benjamin C. White, Brad L. Boyce e Khalid Hattar, que foram apoiados pelo Departamento dos EUA de Energia Gabinete de Ciências Básicas da Energia.
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