Esta liga é o material mais resistente conhecido na Terra e fica ainda mais resistente no frio: WebCuriosos

Uma liga de cromo, cobalto e níquel acaba de nos proporcionar a maior resistência à fratura já medida em um material na Terra.

Possui resistência e ductilidade excepcionalmente altas, levando ao que uma equipe de cientistas chamou de “excelente tolerância a danos”.

Além disso – e de forma contraintuitiva – estas propriedades aumentam à medida que o material fica mais frio, sugerindo algum potencial interessante para aplicações em ambientes criogénicos extremos.

“Quando você projeta materiais estruturais, você deseja que eles sejam fortes, mas também dúcteis e resistentes à fratura”, diz o metalúrgico Easo GeorgePresidente do Governador de Teoria e Desenvolvimento Avançado de Ligas no Laboratório Nacional de Oak Ridge e na Universidade do Tennessee.

“Normalmente, é um compromisso entre essas propriedades. Mas este material é ambos e, em vez de se tornar quebradiço em baixas temperaturas, fica mais resistente.”

Resistência, ductilidade e tenacidade são três propriedades que determinam a durabilidade de um material. A força descreve a resistência à deformação. E a ductilidade descreve o quão maleável é um material. Estas duas propriedades contribuem para a sua tenacidade geral: a resistência à fratura. A tenacidade à fratura é a resistência a futuras fraturas em um material já fraturado.

George e seu colega autor sênior, o engenheiro mecânico Robert Richie, do Laboratório Nacional de Berkeley e da Universidade da Califórnia, Berkeley, passaram algum tempo trabalhando em uma classe de materiais conhecidos como ligas de alta entropia, ou HEAs. A maioria das ligas é dominada por um elemento, com pequenas proporções de outros misturados. HEAs contêm elementos misturados em proporções iguais.

Uma dessas ligas, CrMnFeCoNi (cromo, manganês, ferro, cobalto e níquel), tem sido objeto de intenso estudo após cientistas notaram que sua resistência e ductilidade aumentam à temperatura do nitrogênio líquido sem comprometer a tenacidade.

Um derivado desta liga, CrCoNi (cromo, cobalto e níquel), apresentou propriedades ainda mais excepcionais. Então George, Ritchie e sua equipe estalaram os dedos e começaram a levá-lo ao limite.

Os experimentos anteriores com CrMnFeCoNi e CrCoNi foram conduzidos em temperaturas de nitrogênio líquido, de até 77 Kelvin (-196°C-321°F). A equipe foi ainda mais longe, até as temperaturas do hélio líquido.

Os resultados foram além de impressionantes.

“A tenacidade deste material perto das temperaturas do hélio líquido (20 Kelvin, [-253°C, -424°F]) chega a 500 megapascais metros de raiz quadrada”, Ritchie explica.

“Nas mesmas unidades, a tenacidade de um pedaço de silício é uma, a fuselagem de alumínio em aviões de passageiros é de cerca de 35 e a tenacidade de alguns dos melhores aços é de cerca de 100. Portanto, 500, é um número impressionante.”

Para descobrir como funciona, a equipe usou difração de nêutrons, difração de retroespalhamento de elétrons e microscopia eletrônica de transmissão para estudar o CrCoNi até o nível atômico quando fraturado em temperatura ambiente e em frio extremo.

Isso envolveu quebrar o material e medir a tensão necessária para causar o crescimento da fratura e, em seguida, observar a estrutura cristalina das amostras.

Os átomos dos metais estão dispostos em um padrão repetitivo no espaço tridimensional. Este padrão é conhecido como rede cristalina. Os componentes repetidos na rede são conhecidos como células unitárias.

Às vezes, são criados limites entre células unitárias que estão deformadas e aquelas que não estão. Esses limites são chamados de discordâncias e, quando uma força é aplicada ao metal, eles se movem, permitindo que o metal mude de forma. Quanto mais discordâncias um metal tiver, mais maleável ele será.

Irregularidades no metal podem impedir o movimento dos deslocamentos; é isso que torna um material forte. Mas se as deslocações forem bloqueadas, em vez de deformar, o material pode rachar, portanto, alta resistência pode muitas vezes significar alta fragilidade. No CrCoNi, os pesquisadores identificaram uma sequência específica de três blocos de deslocamento.

O primeiro a ocorrer é o deslizamento, que ocorre quando partes paralelas da rede cristalina deslizam para longe umas das outras. Isso faz com que as células unitárias não correspondam mais perpendicularmente à direção de deslizamento.

A força contínua produz nanovencedoronde as redes cristalinas formam um arranjo espelhado em ambos os lados de um limite. Se ainda mais força for aplicada, essa energia será usada para reorganizar a forma das células unitárias, de uma rede cristalina cúbica para uma hexagonal.

“Enquanto você puxa, o primeiro mecanismo é iniciado, e então o segundo é iniciado, e então o terceiro é iniciado e, em seguida, o quarto”, Ritchie diz.

“Agora, muitas pessoas dirão, bem, vimos nanovitórias em materiais regulares, vimos deslizamentos em materiais regulares. Isso é verdade. Não há nada de novo nisso, mas é o fato de que todos eles ocorrem nesta sequência mágica isso nos dá essas propriedades realmente tremendas.”

Os pesquisadores também testaram o CrMnFeCoNi em temperaturas de hélio líquido, mas ele não teve um desempenho tão bom quanto seu derivado mais simples.

O próximo passo será investigar as aplicações potenciais desse material, bem como encontrar outros HEAs com propriedades semelhantes.

A pesquisa foi publicada em Ciência.