"Se você olhasse um metal sob um microscópio você veria que ele é composto de milhões de átomos ligados intimamente, como se fossem grãos bem empacotados", diz Yuntian Zhu, professor de ciência dos materiais e engenharia no estado do NC e autor de dois artigos sobre o novo trabalho. "O tamanho e a disposição desses afetam as características físicas do metal."
"Ter pequenos grãos na superfície torna o metal mais duro, pois os átomos ali estão mais unidos, mas também faz com que seja menos dúctil - o que significa que o material não suporta uma grande deformação sem se romper", diz Xiaolei Wu, professor de ciência dos materiais na Academia Chinesa de Instituto de Ciências Mecânica, e principal autor dos dois papéis. “Mas se, gradualmente, aumentarmos o tamanho desses grãos internos no material, isso pode tornar o metal mais dúctil”. Veja a variação na imagem, semelhante no tamanho e distribuição das estruturas em uma secção transversal do osso ou uma haste de bambu. Em suma, a interface gradual dos grandes e pequenos átomos torna o material em geral mais forte e mais dúctil, o que é uma combinação de características que é inacessível em materiais convencionais. (OBS: Quanto mais dúctil um material, maior é a redução de sua área ou de alongamento antes da ruptura).
"Chamamos isso de uma ‘estrutura de gradiente', e você pode usar esta técnica para personalizar as características de um de metal", acrescenta Wu.
Wu Zhu colaborou na pesquisa que testou o conceito da estrutura gradiente em uma variedade de metais, incluindo o cobre, ferro, níquel e aço inoxidável. A técnica de melhoramento nos materiais metálicos foi perceptível em todos eles.
A equipe de pesquisa também testou a nova abordagem no Intersticial Free (IF) Steel*, que é utilizada em algumas aplicações industriais.
Convencionalmente, o IF Steel é suficientemente forte para resistir a 450 megapascais (MPa) de pressão, que tem baixa ductilidade - o aço só pode ser esticado para menos de 5% do seu comprimento, sem quebrar. Isso faz com que seja inseguro. Baixa ductilidade significa que um material é suscetível à falha catastrófica, como de repente, estilhaçando pela metade. Materiais altamente dúcteis podem esticar, o que significa que eles são mais propensos a dar às pessoas tempo para responder a um problema antes da falha total.
Em comparação, os pesquisadores criaram um IF Steel com uma estrutura de gradiente; forte o suficiente para lidar com 500 MPa e dúctil o suficiente para esticar 20% do seu comprimento antes da ruptura.
Os pesquisadores também estão interessados em utilizar a abordagem de estrutura de gradiente para fazer materiais mais resistentes à corrosão, desgaste e fadiga.
"Pensamos que esta pode ser uma nova área de pesquisa de materiais, porque tem uma série de aplicações e pode ser fácil e barata quando incorporados em processos industriais", diz Wu.
O trabalho é descrito em dois artigos publicados recentemente: "Synergetic Strengthening by Gradient Structure (Fortalecimento Sinergético pela Estrutura Gradiente)", que foi publicado em 02 de julho no Materials Research Letters, e "Extraordinary strain hardening by gradient structure", publicado na Proceedings of the National Academy of Sciences.
*IF Steel: Aço produzido com quantidades muito baixas de elementos intersticiais (principalmente de carbono e nitrogênio), com pequenas quantidades de titânio ou nióbio adicionado para amarrar os átomos intersticiais remanescentes.
