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Pegue um clipe de papel de arame. Agora, dobre para frente e para trás no mesmo local 15, talvez 20 vezes. As chances são de que o clipe de papel tenha quebrado antes de você terminar. Isso se deve ao que é chamado de fadiga do metal, que ocorre quando um componente de metal é estressado ciclicamente até falhar.
Embora o clipe de papel quebrado seja um exemplo trivial de fadiga de metal, o fenômeno é um grande problema no mundo todo. “A maioria das falhas inesperadas – pontes, aviões, plataformas de petróleo, válvulas cardíacas – falham por esse processo”, disse Tresa Pollock, professora de ciências de materiais da UC Santa Barbara, especializada no desempenho mecânico e ambiental de materiais em ambientes extremos. Praticamente qualquer metal estrutural sujeito a tensões cíclicas – deformações, vibrações, temperaturas extremas, impactos e similares – é vulnerável, com resultados que podem custar centenas de bilhões de dólares a cada ano.
Para prever e evitar esses destinos catastróficos, Pollock e colegas pesquisadores da UCSB, da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign e da Université de Poitiers, na França, desenvolveram uma teoria que prevê os limites aos quais os metais podem ser submetidos ao estresse cíclico antes de falhar. E eles podem prever falhas desde o primeiro ciclo. Suas pesquisas são publicadas na revista Ciência.
Ser capaz de prever quando um componente de metal provavelmente falhará devido ao estresse cíclico tem sido uma prioridade ao projetar um sistema de engenharia, seja uma válvula cardíaca artificial ou uma usina nuclear. No entanto, de acordo com Pollock, que também atua como reitor interino da Faculdade de Engenharia da UC Santa Barbara, o processo de fazer essa determinação não mudou muito em quase dois séculos.
“Eles pegam algo, fazem um ciclo e medem os ciclos até a falha”, disse ela.
Mas esses resultados empíricos geralmente vêm sem os insights quantitativos mais profundos que permitiriam previsões em uma ampla gama de metais sob várias condições. Para complicar ainda mais a questão, as falhas geralmente podem ocorrer após milhões ou bilhões de ciclos. “E se você tiver que testar algo por um ano ou 10 anos antes que falhe, então é um pouco difícil gerar resultados de teste suficientes para projetar contra essa falha”, disse Pollock.
Técnicas avançadas fornecem novos insights
A partir do momento em que um metal sólido é submetido ao seu primeiro ciclo de estresse – normalmente primeiro em tração, seguido de compressão e depois de volta a zero – ele é colocado em uma trajetória até a falha. Mas muitas vezes, o dano não é imediatamente visível a olho nu. Na escala nanométrica, no entanto, o dano está lá: os átomos na zona de estresse do metal deslizam uns contra os outros, criando padrões de desgaste chamados “faixas deslizantes”. À medida que o material experimenta mais ciclos, mais dessas faixas de deslizamento emergem e, eventualmente, forma-se uma microfissura. Ciclos de carregamento adicionais fazem com que a trinca cresça até se tornar uma trinca macroscópica e o metal falhar.
A “força da fadiga” é o estresse que pode ser tolerado por um grande número de ciclos antes de falhar, geralmente entre um milhão e um bilhão. Testar uma grande coleção de metais e ligas de engenharia com um conjunto de novas técnicas permitiu que os pesquisadores conectassem as medições do primeiro ciclo de localização de deslizamento à resistência à fadiga do metal de uma maneira surpreendentemente direta.
“Nunca esperávamos que essa correlação fosse tão linear em tantos materiais diferentes”, continuou ela. “O conjunto de materiais examinados é muito, muito diferente um do outro e todos caem na mesma curva.”
No centro da descoberta da equipe está o microscópio TriBeam desenvolvido pela UCSB, que permite novas abordagens de alta resolução para estudar bandas de deslizamento, juntamente com novos testes de fadiga ultrassônica e técnicas de análise de dados multimodais. “A capacidade de desenvolver e manter esses instrumentos avançados e combiná-los com a análise assistida por aprendizado de máquina na infraestrutura da UCSB foi extremamente importante”, disse Pollock.
O local e a intensidade dos eventos de localização do primeiro deslizamento são, de acordo com o estudo, preditivos de quando o material falhará e onde a trinca começará a se formar. A chave para essas previsões é a “força de escoamento” do metal – conhecida como o ponto sem retorno, onde o metal é irreversivelmente deformado durante o carregamento.
“A observação surpreendente é que algumas faixas de deslizamento que aparecem durante o primeiro meio ciclo de tensão desaparecem completamente no final do ciclo”, explicou Pollock. “No entanto, uma pequena fração das bandas não desaparecem ou ‘revertem’ durante o primeiro ciclo; estes foram os locais onde a falha ocorreu um bilhão de ciclos depois.”
Os estudos de alta resolução dos pesquisadores também fornecem informações sobre os fatores que influenciam a resistência à fadiga de um metal, incluindo métodos de processamento e estrutura cristalina – o arranjo tridimensional dos átomos dos metais. A forma como os átomos deslizam uns contra os outros difere pela forma como são empilhados. Arranjos cúbicos de corpo centrado (átomos em cada vértice e no centro do cubo) experimentam eventos de deslizamento mais dispersos, enquanto cúbicos de face centrada (átomos em cada vértice e em cada face do cubo) e metais de pacote hexagonal-fechado exibem mais deslizamentos localizados e maior variação em sua intensidade. Esses parâmetros podem explicar as diferenças na vida à fadiga de metais com diferentes estruturas cristalinas e fator na teoria da equipe de pesquisa.
Essas correlações recém-descobertas e insights quantitativos avançam na compreensão da fadiga do metal, com a implicação de que eles podem ser usados para projetar sistemas de engenharia de maneira mais otimizada e prever mais definitivamente quando e como um componente de metal falhará.
“Se você puder prever o desempenho do metal desde o primeiro ciclo, não precisaria passar por todas essas abordagens de teste caras e demoradas”, disse Pollock, “e podemos fabricar materiais melhores e nos proteger contra desastres .”
A pesquisa de Pollock para este estudo foi apoiada pela Vannevar Bush Faculty Fellowship (VBFF) do Departamento de Defesa dos EUA, que é concedida a aproximadamente 10 membros do corpo docente em todas as áreas a cada ano. O VBFF oferece suporte a ideias novas e inovadoras, onde a criatividade do pesquisador cruza com o desconhecido.
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