Cientistas ficam impressionados com o material mais resistente da Terra

Por Lawrence Berkeley National Laboratory, 11 de dezembro de 2022

Imagens geradas por microscopia mostrando o caminho de uma fratura e acompanhando a deformação da estrutura cristalina na liga CrCoNi em escala nanométrica durante o teste de estresse a 20 kelvin (-424 °F). A fratura está se propagando da esquerda para a direita. Crédito: Robert Ritchie/Berkeley Lab

A new study reveals the profound properties of a simple metal alloyA mixture of two metallic elements typically used to give greater strength or higher resistance to corrosion." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Liga.

Os cientistas mediram a maior tenacidade já registrada, de qualquer material, enquanto investigavam uma liga metálica feita de cromo, cobalto e níquel (CrCoNi). O metal não é apenas extremamente dúctil – o que, na ciência dos materiais, significa altamente maleável – e impressionantemente forte (o que significa que resiste à deformação permanente), sua resistência e ductilidade melhoram à medida que esfria. Isso vai contra a maioria dos outros materiais existentes.

"Nas mesmas unidades, a tenacidade de um pedaço de silício é uma, a estrutura de alumínio em aviões de passageiros é de cerca de 35, e a tenacidade de alguns dos melhores aços é de cerca de 100. Então, 500, é um número impressionante." — Robert Ritchie

A equipe, liderada por pesquisadores do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e do Oak Ridge National Laboratory, publicou um estudo descrevendo suas descobertas recordes na revista Science em 1º de dezembro de 2022.

"Ao projetar materiais estruturais, você quer que eles sejam fortes, mas também dúcteis e resistentes à fratura", disse o co-líder do projeto Easo George, presidente do Governor's Chair for Advanced Alloy Theory and Development no ORNL e na University of Tennessee. "Normalmente, é um compromisso entre essas propriedades. Mas esse material é ambos e, em vez de se tornar quebradiço em baixas temperaturas, fica mais resistente."

CrCoNi é um subconjunto de uma classe de metais chamados ligas de alta entropia (HEAs). Todas as ligas em uso hoje contêm uma alta proporção de um elemento com quantidades menores de elementos adicionais adicionados, mas os HEAs são feitos de uma mistura igual de cada elemento constituinte. Essas receitas atômicas balanceadas parecem conferir a alguns desses materiais uma combinação extraordinariamente alta de resistência e ductilidade quando tensionados, que juntos formam o que é chamado de "resistência". HEAs têm sido uma área quente de pesquisa desde que foram desenvolvidos há cerca de 20 anos, mas a tecnologia necessária para levar os materiais aos seus limites em testes extremos não estava disponível até recentemente.

"The toughness of this material near liquid helium temperatures (20 kelvin, -424 °FahrenheitThe Fahrenheit scale is a temperature scale, named after the German physicist Daniel Gabriel Fahrenheit and based on one he proposed in 1724. In the Fahrenheit temperature scale, the freezing point of water freezes is 32 °F and water boils at 212 °F, a 180 °F separation, as defined at sea level and standard atmospheric pressure. " data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Fahrenheit) chega a 500 megapascal metros de raiz quadrada. Nas mesmas unidades, a tenacidade de um pedaço de silício é um, a estrutura de alumínio em aviões de passageiros é de cerca de 35, e a tenacidade de alguns dos melhores aços é de cerca de 100. Então, 500, é um número impressionante", disse a pesquisa co-líder Robert Ritchie, um cientista sênior da faculdade na Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e o Professor Chua de Engenharia na UC Berkeley.

Ritchie e George começaram a fazer experiências com CrCoNi e outra liga que também contém manganês e ferro (CrMnFeCoNi) há quase uma década. Eles criaram amostras das ligas e, em seguida, reduziram os materiais a temperaturas de nitrogênio líquido (cerca de 77 kelvin, ou -321 ° F) e descobriram resistência e tenacidade impressionantes. Eles imediatamente quiseram continuar seu trabalho com testes em faixas de temperatura de hélio líquido, mas encontrar instalações que permitissem testar amostras em um ambiente tão frio e recrutar membros da equipe com as ferramentas analíticas e a experiência necessárias para analisar o que acontece no material em um nível atômico levou os próximos 10 anos. Felizmente, os resultados valeram a espera.