Tendo como inspiração a estrutura dos ossos e dos bambus,
pesquisadores descobriram que, se irem mudando gradualmente a estrutura
interna de metais, eles podem fazê-los ficar com maior dureza e
resistência; que podem ser personalizados para uma ampla variedade de
aplicações – desde armaduras a peças de automóveis.
"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.
