Uma nova liga choca os cientistas com sua resistência e dureza quase impossíveis

Pesquisadores descobriram um mineral incomum Liga Não irá rachar em temperaturas extremas devido à flexão ou flexão dos cristais da liga em nível atômico.

Uma liga metálica composta de nióbio, tântalo, titânio e háfnio chocou os cientistas de materiais com sua incrível resistência e tenacidade em temperaturas extremamente quentes e frias, uma combinação de propriedades que até agora parecia quase impossível de alcançar. Neste contexto, a resistência é definida como a quantidade de força que um material pode suportar antes de ser permanentemente deformado da sua forma original, e a tenacidade é a sua resistência à ruptura (fissuração). A resiliência da liga à flexão e à ruptura em uma ampla gama de condições poderia abrir as portas para uma nova classe de materiais para motores de próxima geração que possam operar com mais eficiência.

A equipe, liderada por Robert Ritchie no Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Laboratory) e UC Berkeley, em colaboração com grupos liderados pelos professores Deran Apelian na UC Irvine e Enrique Lavernia na Texas A&M University, descobriu e depois descobriu as incríveis propriedades da liga . Como eles surgem de interações na estrutura atômica? Seu trabalho foi descrito em um estudo publicado recentemente na revista Ciências.

“A eficiência da conversão de calor em eletricidade ou propulsão é determinada pela temperatura na qual o combustível é queimado – quanto mais quente, melhor. No entanto, a temperatura operacional é limitada pelos materiais estruturais que deve suportar. esgotaram a capacidade de melhorar os materiais que usamos atualmente em altas temperaturas e há uma grande necessidade de novos materiais metálicos. Isto é o que esta liga promete.”

A liga neste estudo pertence a uma nova classe de metais conhecida como ligas resistentes a altas ou médias temperaturas (RHEAs/RMEAs). A maioria dos metais que vemos em aplicações comerciais ou industriais são ligas feitas de um metal original misturado com pequenas quantidades de outros elementos, mas RHEAs e RMEAs são feitos misturando quantidades quase iguais de elementos metálicos com temperaturas de fusão muito altas, dando-lhes propriedades ainda únicas. Os cientistas descobrem isso. O grupo de Ritchie estuda essas ligas há vários anos devido ao seu potencial para aplicações em altas temperaturas.

Este mapa da estrutura do material mostra bandas reticuladas que se formam perto da ponta da trinca à medida que as trincas se propagam (da esquerda para a direita) na liga a 25°C, temperatura ambiente. Feito usando um detector de difração de retroespalhamento de elétrons em um microscópio eletrônico de varredura. Crédito: Laboratório Berkeley

“Nossa equipe fez trabalhos anteriores em RHEAs e RMEAs e descobriu que esses materiais são muito fortes, mas geralmente têm tenacidade à fratura muito baixa, e é por isso que ficamos chocados quando esta liga mostrou tenacidade excepcionalmente alta”, disse o coautor. Puneet Kumar, pesquisador de pós-doutorado do grupo.

De acordo com Cook, a maioria dos RMEA tem uma tenacidade à fratura inferior a 10 MPa, o que os torna alguns dos metais mais frágeis de todos. Os melhores aços criogênicos, especialmente projetados para resistir à quebra, são cerca de 20 vezes mais resistentes que esses materiais. No entanto, nióbio, tântalo, titânio e háfnio (Nb₄₅Ta₂₅T₁₅Alta frequência₁₅) A liga RMEA foi capaz de superar até mesmo o aço criogênico, registrando um desempenho mais de 25 vezes mais forte do que o RMEA típico em temperatura ambiente.

Mas os motores não funcionam à temperatura ambiente. Os cientistas avaliaram a resistência e a durabilidade em cinco temperaturas totais: -196°C (temperatura de nitrogênio líquido), 25°C (temperatura ambiente), 800°C, 950°C e 1200°C. A última temperatura é cerca de 1/5 da temperatura da superfície do Sol.

A equipe descobriu que a liga tem sua maior resistência no frio e se torna um pouco mais fraca à medida que a temperatura aumenta, mas ainda apresenta números impressionantes em toda a ampla faixa. A tenacidade à fratura, que é calculada a partir da quantidade de força necessária para propagar uma trinca existente em um material, foi alta em todas as temperaturas.

Revelando arranjos atômicos

Quase todas as ligas metálicas são cristalinas, o que significa que os átomos dentro do material estão dispostos em unidades repetidas. Porém, nenhum cristal é perfeito, todos eles contêm imperfeições. O defeito mais proeminente que se move é chamado de deslocamento, que é um plano imperfeito de átomos no cristal. Quando a força é aplicada ao metal, ela faz com que vários deslocamentos se movam para acomodar a mudança de forma.

Por exemplo, quando você dobra um clipe de alumínio, o movimento dos deslocamentos dentro do clipe acomoda a mudança de forma. No entanto, o movimento das discordâncias torna-se mais difícil a baixas temperaturas e, como resultado, muitos materiais tornam-se frágeis a baixas temperaturas porque as discordâncias não podem mover-se. É por isso que o casco de aço do Titanic quebrou ao atingir um iceberg. Elementos com alta temperatura de fusão e suas ligas levam isso ao extremo, com muitos permanecendo frágeis mesmo em até 800°C. No entanto, este RMEA contraria a tendência, resistindo à interrupção mesmo em temperaturas tão baixas quanto o nitrogênio líquido (-196°C).

Este mapa mostra bandas reticuladas formadas perto da ponta da trinca durante um teste de propagação de trinca (da esquerda para a direita) na liga a -196°C. Crédito: Laboratório Berkeley

Para entender o que estava acontecendo dentro do metal requintado, o co-pesquisador Andrew Minor e sua equipe analisaram as amostras estressadas, juntamente com amostras de controle não dobradas e não rachadas, usando um microscópio eletrônico de varredura quadridimensional (4D-STEM) e um microscópio eletrônico de varredura ( STEM) no Centro Nacional de Microscopia Eletrônica, parte da Fundição Molecular do Berkeley Lab.

Dados de microscópio eletrônico revelaram que a dureza incomum da liga vem de um efeito colateral inesperado de um defeito raro chamado banda de torção. Faixas de nós são formadas em um cristal quando uma força aplicada faz com que os segmentos do cristal entrem repentinamente em colapso e se dobrem. A direção na qual o cristal se curva nesses fios aumenta a força sentida pelos deslocamentos, fazendo com que se movam com mais facilidade. No nível da massa, esse fenômeno faz com que o material amoleça (o que significa que menos força deve ser aplicada ao material à medida que ele se deforma). A equipe sabia, por meio de pesquisas anteriores, que as faixas de nós se formam facilmente no RMEA, mas levantaram a hipótese de que o efeito de amolecimento tornaria o material menos rígido, facilitando a propagação de rachaduras pela rede. Mas, na realidade, este não é o caso.

“Mostramos, pela primeira vez, que no caso de uma fissura acentuada entre átomos, as bandas de torção realmente resistem à propagação da fissura, distribuindo o dano para longe dela, evitando a fratura e resultando em uma resistência à fratura excepcionalmente alta”, disse Cook.

Observação₄₅Ta₂₅T₁₅Alta frequência₁₅ As ligas precisarão passar por pesquisas mais fundamentais e testes de engenharia antes de qualquer coisa como uma turbina a jato ou EspaçoX O bico do foguete é feito disso, disse Ritchie, porque os engenheiros mecânicos realmente precisam ter um conhecimento profundo do desempenho de seus materiais antes de usá-los no mundo real. No entanto, este estudo sugere que o metal tem potencial para construir os motores do futuro.

Referência: “As bandas de torção melhoram a resistência excepcional à fratura em liga refratária de média entropia NbTaTiHf” por David H. Cook, Punit Kumar, Madelyn I. Payne, Calvin H. Belcher, Pedro Borges, Wenqing Wang, Flynn Walsh, Zehao Li, Arun Devaraj , Mingwei Zhang, Mark Asta, Andrew M. Menor, Enrique J. Lavernia, Deran Abelian e Robert O. Richie, 11 de abril de 2024, Ciências.
doi: 10.1126/science.adn2428

Esta pesquisa foi conduzida por David H. Cook, Puneet Kumar e Madeleine I. Payne e Calvin H. Belcher, Pedro Borges, Wenqing Wang, Flynn Walsh, Zihao Li, Arun Devaraj, Mingwei Zhang, Mark Asta, Andrew M. Minor e Enrique. J. Lavernia, Deran Abelian e Robert O. Ritchie, cientistas do Berkeley Lab, UC Berkeley, Pacific Northwest National Laboratory e UC Irvine, com financiamento do Escritório de Ciência do Departamento de Energia. A análise experimental e computacional foi realizada na Fundição Molecular e no Centro Nacional de Computação Científica de Pesquisa Energética – ambas instalações de usuários do Escritório de Ciência do Departamento de Energia.