Os pesquisadores desenvolveram uma abordagem baseada na mecânica quântica que melhora significativamente a previsão e o aprimoramento da ductilidade do metal, levando ao desenvolvimento de metais que são tão duráveis que poderiam ser considerados “inquebráveis” para sua aplicação específica. Crédito: SciTechDaily.com
Os cientistas desenvolveram um método baseado na mecânica quântica para prever a ductilidade dos metais, revelando-se particularmente eficaz para materiais utilizados em condições de alta temperatura. Esta abordagem inovadora, que destaca a importância da distorção atómica local, permite testes rápidos de milhares de materiais, agilizando o processo de desenvolvimento para indústrias como a aeroespacial e a energia.
Uma equipe de cientistas do Laboratório Nacional Ames e da Texas A&M University desenvolveu uma nova maneira de prever a ductilidade do metal. Essa abordagem baseada na mecânica quântica atende à necessidade de uma maneira barata, eficiente e de alto rendimento de prever a ductilidade. A equipe demonstrou sua eficácia em ligas refratárias de elementos múltiplos. Estes são materiais de interesse para uso em condições de alta temperatura, no entanto, frequentemente carecem da ductilidade necessária para aplicações potenciais na indústria aeroespacial, reatores de fusão e turbinas terrestres.
A equipe descobriu que uma atividade de carga mais alta (aumentada) é responsável pela melhoria da ductilidade em metais cúbicos de corpo centrado. A região amarela, que representa a maior carga eletrônica nos intersticiais (área entre os átomos), corresponde ao aumento da atividade de carga que leva a uma maior ductilidade. As regiões azuis claras são intersticiais com atividade de carga mais fraca. Nesta imagem, cada átomo é representado por uma cor diferente, tântalo (Ta), molibdênio (Mo) e tungstênio (W), conforme especificado acima. Os contornos azul, rosa e vermelho mostram a distribuição de carga em torno de cada local. Crédito: Laboratório Nacional Ames do Departamento de Energia dos EUA
O desafio de prever a ductilidade do metal
A ductilidade descreve quão bem um material pode suportar tensões físicas sem rachar ou quebrar. De acordo com Prashant Singh, cientista do Ames Lab e líder dos esforços de projeto teórico, atualmente não existem formas robustas de prever a ductilidade do metal. Além disso, a experimentação por tentativa e erro é cara e demorada, especialmente em condições extremas.
Uma maneira típica de modelar átomos é com esferas rígidas simétricas. No entanto, Singh explicou que em materiais reais, os átomos têm tamanhos e formas diferentes. Ao misturar elementos com átomos de tamanhos diferentes, os átomos se ajustam continuamente para caber no espaço fixo. Este comportamento cria distorção atômica local.
A mecânica quântica melhora a previsão da ductilidade
A nova análise incorpora distorção atômica local para determinar se um material é frágil ou dúctil. Também expande as capacidades das abordagens atuais. “Eles (abordagens atuais) não são muito eficientes em distinguir entre sistemas dúcteis e frágeis para pequenas mudanças de composição. Mas a nova abordagem pode capturar esses detalhes não triviais, porque agora adicionamos um recurso de mecânica quântica que estava faltando na abordagem”, disse Singh.
Outra vantagem deste novo método de teste de alto rendimento é a sua eficiência. Singh explicou que pode testar milhares de materiais rapidamente. A velocidade e a capacidade permitem prever quais combinações de materiais valem a pena levar ao nível experimental. Isto minimiza o tempo e os recursos necessários para descobrir estes materiais através de métodos experimentais.
Validação e implicações para aplicações de alta temperatura
Para determinar quão bem o teste de ductilidade funcionou, Gaoyuan Ouyang, cientista do Laboratório Ames, liderou os esforços experimentais da equipe. Eles realizaram testes de validação em um conjunto de ligas de elementos múltiplos refratários previstos (RMPEAs). RMPEAs são materiais que têm potencial para uso em ambientes de alta temperatura, como sistemas de propulsão aeroespacial, reatores nucleares, turbinas e outras aplicações energéticas.
Através dos testes de validação, a equipe descobriu que “os metais dúcteis previstos sofreram deformação significativa sob alta tensão, enquanto o metal frágil rachou sob cargas semelhantes, confirmando a robustez do novo método da mecânica quântica”, disse Ouyang.
Esta pesquisa é discutida posteriormente no artigo “Uma métrica de ductilidade para ligas de elementos múltiplos à base de refratários”, escrito por Prashant Singh, Brent Vela, Gaoyuan Ouyang, Nicolas Argibay, Jun Cui, Raymundo Arroyave e Duane D. Johnson , e publicado em Diário de Materiais.
Referência: “Uma métrica de ductilidade para ligas de elementos múltiplos à base de refratários” por Prashant Singh, Brent Vela, Gaoyuan Ouyang, Nicolas Argibay, Jun Cui, Raymundo Arroyave e Duane D. Johnson, 27 de junho de 2023, Diário de Materiais.
DOI: 10.1016/j.actamat.2023.119104
