Cientistas forjam um material impossível uma liga metálica com resistência e tenacidade incomparáveis

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Cientistas forjam um “material impossível”: uma liga metálica com
resistência e tenacidade incomparáveis em todas as temperaturas
Um mapa da estrutura cristalina da liga feita com difração de retroespacham de elétrons em um microscópio eletrônico de varredura. C
do cristal onde a estrutura de repetição muda sua orientação 3D. Crédito da imagem: Berkeley Lab.
Bom, rápido, barato: você só pode escolher dois. Muitas vezes temos que fazer concessões em nossas vidas
cotidianas, mas para os cientistas de materiais, os trade-offs são o pão e a manteiga de seu trabalho. No entanto, às
vezes, descobre-se um material de unicórnio raro que permite que os cientistas tenham e comam o seu bolo.
Pesquisadores nos EUA desenvolveram uma nova liga metálica super forte e resistente, e que pode reter essas
propriedades em temperaturas extremamente baixas e altas. Esta combinação incomum de propriedades é pensada
para ser quase impossível de alcançar.
A nova liga, composta por nióbio, tântalo, titânio e háfnio, é adequada para motores aeroespaciais de alto
desempenho e outras aplicações tecnológicas exigentes.
“A eficiência de converter calor em eletricidade ou empuxo é determinada pela temperatura em que o
combustível é queimado – quanto mais quente, melhor. No entanto, a temperatura de operação é
limitada pelos materiais estruturais que devem resistir a ela”, disse o primeiro autor David Cook, Ph.D.
estudante do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley.
“Nós esgotamos a capacidade de otimizar ainda mais os materiais que usamos atualmente em altas
temperaturas, e há uma grande necessidade de novos materiais metálicos. É nisso que esta liga se
mostra promissor.”
Material sem precedentes de dureza
As ligas são criadas por fusão e misturando dois ou mais metais. A maioria das ligas é feita de um metal de base,
com outros metais ou elementos adicionados à mistura derretida. O aço comum, por exemplo, é feito de mais de
99% de ferro, e o resto é carbono.
Esta nova liga, no entanto, pertence a uma classe de liga conhecida como ligas refratárias de alta entropia (RHEAs)
ou ligas de entropia média (RMEAs). Essas ligas são definidas por sua composição de quantidades quase iguais de
elementos, cada uma com pontos de fusão muito altos, o que introduz algumas propriedades muito interessantes.
Normalmente, RHEAs e RMEAs são conhecidos por sua força, mas sofrem de baixa resistência à fratura. Então,
eles são propensos a quebrar sob estresse. No entanto, esta liga particular (Nb45Ta25Ti15Hf15) quebra essas
expectativas, exibindo uma tenacidade de fratura mais de 25 vezes maior do que os RMEAs típicos à temperatura
ambiente.
Os pesquisadores enfatizaram a liga sob diferentes temperaturas, testando sua resistência e tenacidade a -196oC
(temperatura de nitrogênio líquido), 25oC (temperatura da sala) e várias temperaturas elevadas até impressionantes
https://cdn.zmescience.com/wp-content/uploads/2024/04/metal-alloy-1-1.jpg
https://www.zmescience.com/feature-post/technology-articles/engineering/types-of-engines/
https://www.zmescience.com/feature-post/natural-sciences/chemistry-articles/periodic-table/chemical-elements-09062016/
https://www.zmescience.com/feature-post/culture/lifestyle/not-too-hot-not-too-cold-whats-the-ideal-room-temperature/
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1200oC. Notavelmente, a liga manteve sua alta resistência e manteve sua resistência à fratura em todas as
condições testadas. Nenhum outro material convencional é robusto.
Um “desfeito” que acrescenta dureza
“Nossa equipe fez trabalhos anteriores em RHEAs e RMEAs e descobrimos que esses materiais são
muito fortes, mas geralmente possuem uma tenacidade de fratura extremamente baixa, e é por isso que
ficamos chocados quando essa liga exibiu uma tenacidade excepcionalmente alta”, disse o autor co-
correspondente Punit Kumar em um comunicado de imprensa.
Para entender por que essa liga se comporta de maneira tão diferente do que é esperado, a equipe empregou
técnicas avançadas de imagem. Notavelmente, eles empregaram microscopia eletrônica de transmissão de
varredura quadridimensional (4D-STEM) na Fundição Molecular do Berkeley Lab. Essas investigações revelaram
que o mecanismo microestrutural responsável pela tenacidade da liga envolve um defeito conhecido como uma faixa
de torção.
Este mapa mostra que as faixas de torção se formaram perto de uma ponta de fenda durante o teste de
propagação de fissuras (da esquerda para a direita) na liga a -196 graus Celsius. Crédito da imagem:
Berkeley Lab.
As bandas Kink são curvas abruptas na rede de cristal que ocorrem sob estresse. Estes normalmente enfraquecem
um material, tornando mais fácil para rachaduras se propagarem. No entanto, nesta liga, as bandas de torção não
são “defeitos”. Eles desempenham um papel benéfico, distribuindo o estresse e dificultando a propagação de
fissuras, evitando assim fraturas.
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“Nós mostramos, pela primeira vez, que na presença de uma rachadura aguda entre os átomos, as
bandas de torção realmente resistem à propagação de uma rachadura, distribuindo danos para longe
dela, evitando fraturas e levando a uma resistência à fratura extraordinariamente alta”, disse Cook.
Embora os resultados sejam promissores, a liga exigirá mais pesquisas e testes antes que possa ser implementada
em aplicações comerciais, como motores de turbinas a jato ou componentes de espaçonaves, como o bico de um
foguete.
Os resultados apareceram na revista Science.
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https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn2428
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