Estabilizando o Crescimento de Precipitados nos Limites de Grãos em Ligas

Os materiais são frequentemente considerados como sendo de uma fase, mas muitos materiais de engenharia contêm duas ou mais fases, melhorando suas propriedades e desempenho. Esses materiais bifásicos possuem inclusões, chamadas precipitados, embutidas na microestrutura. As ligas, uma combinação de dois ou mais tipos de metais, são utilizadas em muitas aplicações, como turbinas para motores a jato e ligas leves para aplicações automotivas, porque possuem propriedades mecânicas muito boas devido aos precipitados incorporados. O tamanho médio do precipitado, no entanto, tende a aumentar ao longo do tempo - em um processo denominado engrossamento - o que resulta em uma degradação do desempenho de microestruturas com precipitados em nanoescala.

Pesquisadores da Universidade de Illinois Urbana-Champaignidentificaram um novo caminho para estabilizar os precipitados em nanoescala em ligas. Em um novo estudo, o professor de ciência e engenharia de materiais Pascal Bellon, o pesquisador de pós-doutorado Gabriel Bouobda Moladje e seus colaboradores mostram que é possível utilizar processos de desequilíbrio para impedir o engrossamento do precipitado, o que resulta em nanoestruturas estáveis.

Os resultados desta pesquisa foram publicados recentemente na Physical Review Letters.

“Nas últimas duas décadas, os pesquisadores perceberam que ter inclusões em nanoescala na estrutura pode realmente ser muito benéfico para o material”, diz Bellon. “O desafio é que, espontaneamente, essas pequenas partículas querem crescer.”

Pense nisso como fazer macarrão: quando o óleo é adicionado à água fervente, as gotas de óleo podem ser pequenas quando adicionadas e mexidas pela primeira vez, mas se a agitação for interrompida, as gotas se combinarão para formar gotas maiores. Este é o processo de engrossamento. “Se estamos interessados ​​na distribuição de objetos de pequena escala, temos que trabalhar contra essa tendência natural de tornar as coisas mais grosseiras”, explica Bellon.

A equipe utilizou modelagem computacional para investigar precipitados formados nos domínios entre os diferentes cristais do material, chamados limites de grão, quando submetidos à irradiação, uma força de desequilíbrio. Num ambiente de equilíbrio, as forças estão equilibradas e não há alteração líquida no material. Na maioria das aplicações, entretanto, os materiais duros são submetidos a forças de desequilíbrio, como irradiação ou mesmo agitação. Portanto, é importante entender como os precipitados evoluem em tais ambientes de não-equilíbrio.

“Estávamos particularmente interessados ​​em ligas submetidas à irradiação energética de partículas”, diz Bellon. “Essa é uma situação que acontece, por exemplo, em materiais utilizados para aplicações nucleares. É também o caso dos materiais utilizados no espaço, onde são bombardeados por raios cósmicos. O que estávamos procurando especificamente era um modelo de liga de alumínio e antimônio.”

Nas ligas de alumínio e antimônio, o antimônio deseja formar precipitados, assim como o óleo deseja formar gotículas na água. Os pesquisadores descobriram que, quando irradiados, os precipitados se formariam nos limites dos grãos, conforme esperado. Mas também descobriram que, em vez de engrossarem e continuarem a crescer, os precipitados atingiriam um certo tamanho e parariam. Isso é chamado de comportamento grosseiro interrompido e foi um resultado inesperado.

Esta abordagem poderia ser aplicada a outros sistemas de materiais onde o transporte de espécies desempenha um papel importante, como o transporte de espécies iônicas entre eletrodos em baterias. Em materiais de bateria, pode ser vantajoso ter precipitados pequenos, uma vez que precipitados grandes podem gerar muita tensão no material. Nesse caso, a supressão do engrossamento seria benéfica.

Após esta pesquisa computacional, Bellon, juntamente com os professores da UIUC MatSE, Robert Averback e Marie Charpagne, planejam começar a explorar a validação experimental dos resultados publicados recentemente. Bellon diz: “Estamos entusiasmados em combinar modelagem, teoria e experimentos, aproveitando ao mesmo tempo todas as ferramentas do Laboratório de Pesquisa de Materiais, para testar as previsões de simulações de computador em nível experimental”.