Quando aço, alumínio e outros metais ou ligas amplamente utilizados passam por processos industriais, como usinagem, laminação e forjamento, sua estrutura em nanoescala sofre mudanças dramáticas. Processos de produção extremamente rápidos dificultam a análise dessas mudanças devido à velocidade e à pequena escala em que ocorrem, mas pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) nos EUA conseguiram fazer exatamente isso, identificando o que acontece quando grãos de cristal se formam no metal sob extrema deformação em nanoescala. Seu trabalho pode ajudar no desenvolvimento de estruturas metálicas com propriedades melhoradas, como dureza e tenacidade.
Em geral, quanto menores forem esses grãos de cristal, mais resistente e forte será o metal. Os metalúrgicos muitas vezes procuram diminuir o tamanho do grão colocando os metais sob tensão. Uma das principais técnicas que eles usam para fazer isso é a recristalização, na qual o metal é deformado sob alta tensão e aquecido para produzir cristais mais finos. Em casos extremos, esse processo pode produzir grãos com dimensões em nanoescala.
“Não apenas uma curiosidade de laboratório”
A equipe do MIT liderada por Christopher Schuh agora determinou como esse processo de alta velocidade e pequena escala ocorre. Eles fizeram isso usando um laser para lançar micropartículas de metal de cobre em um metal em velocidades supersônicas e observando o que aconteceu quando as partículas o atingiram. Schuh ressalta que essas altas velocidades “não são apenas uma curiosidade de laboratório”, com processos industriais como usinagem de alta velocidade; moagem de alta energia de pó metálico; e um método de revestimento chamado spray frio, todos ocorrendo em taxas semelhantes.
“Tentamos entender esse processo de recristalização sob essas taxas muito extremas”, explica ele. “Como as taxas são tão altas, ninguém foi capaz de cavar lá e analisar sistematicamente esse processo antes.”
Em seus experimentos, os pesquisadores variaram a velocidade e a força dos impactos e, em seguida, estudaram os locais impactados usando métodos avançados de microscopia em nanoescala, como difração de retroespalhamento de elétrons e microscopia eletrônica de transmissão de varredura. Esta abordagem permitiu-lhes analisar os efeitos do aumento dos níveis de tensão.
Eles descobriram que os impactos refinam drasticamente a estrutura do metal, criando grãos de cristal com apenas nanômetros de diâmetro. Eles também observaram um processo de recristalização que foi auxiliado pelo “nanotwinning” – uma variação de um fenômeno bem conhecido em metais chamado geminação, no qual um tipo específico de defeito se forma quando parte da estrutura cristalina inverte sua orientação.
Schuh e seus colegas observaram que quanto mais altas as taxas de impacto, mais frequentemente o nanowinning ocorria. Isso leva a grãos cada vez menores à medida que os “gêmeos” em nanoescala se dividem em novos grãos de cristal, dizem eles. O processo pode aumentar a resistência do metal em cerca de 10 vezes, o que Schuh descreve como não desprezível.
Uma melhor compreensão mecanicista
Schuh descreve o resultado da equipe como uma extensão de um efeito conhecido chamado endurecimento que vem de golpes de martelo em forjamento de metal comum. “Nosso efeito é uma espécie de fenômeno de hiperforjamento”, diz ele. Embora o resultado faça sentido nesse contexto, Schuh conta Mundo da física que poderia levar a uma melhor compreensão mecanicista de como as estruturas metálicas se formam, tornando mais fácil para os engenheiros projetar condições de processamento para controlar essas estruturas. “As estruturas muito pequenas em nanoescala que observamos em nosso trabalho são interessantes por sua extrema resistência, por exemplo”, diz ele.
Por que gradualmente faz isso para maximizar a força
De acordo com o membro da equipe Ahmed Tiamiyu, as novas descobertas podem ser aplicadas diretamente à produção de metal no mundo real. “Os gráficos produzidos a partir do trabalho experimental devem ser de aplicação geral”, diz ele. “Não são apenas linhas hipotéticas.”
No estudo, publicado em Nature Materials, os pesquisadores se concentraram em entender a evolução da estrutura de um metal durante um impacto. Seria interessante estudar outras características, como a evolução da temperatura ao redor de um local de impacto, dizem eles. “Estamos realizando um trabalho nessa direção agora”, revela Schuh.
