Por que algumas ligas ficam mais fortes à temperatura ambiente?

Uma liga é geralmente um metal ao qual pelo menos um outro elemento foi adicionado. O físico Adrian Lervik disse que já sabemos que as ligas de alumínio podem ficar mais fortes quando armazenadas em temperatura ambiente.

O metalúrgico alemão Alfred Wilm descobriu essa característica já em 1906. Mas por que isso acontece? Até agora, pouco se sabe sobre esse fenômeno, mas agora Lervik e seus colegas da Universidade Norueguesa de Ciência e Tecnologia (NTNU) e a maior instituição de pesquisa independente da Escandinávia, SINTEF, o resolveram. Este problema está resolvido ("Estrutura atômica de aglomerados de soluto em ligas de Al - Zn - Mg")

Lervik concluiu recentemente seu PhD em Física na NTNU. Seu trabalho explica uma parte importante deste mistério.

No final do século 19, Wilm tentou aumentar a resistência do alumínio, um metal leve que havia surgido recentemente. Ele derreteu e fundiu muitas ligas diferentes e testou várias taxas de resfriamento comuns na produção de aço para obter a melhor resistência. Lervik disse.

Will voltou ao laboratório para dar continuidade aos testes de tração de uma liga composta por alumínio, cobre e magnésio. Ele descobriu que a resistência desta liga aumentou significativamente durante o fim de semana.

Durante esse tempo, essa liga é mantida apenas em temperatura ambiente, mas depois de muito tempo, não será capaz de completar a tarefa.

Hoje, esse fenômeno é denominado envelhecimento natural.

O metalúrgico americano Paul Merica propôs em 1919 que esse fenômeno se devia à formação de uma espécie de precipitação na liga por pequenas partículas de vários elementos. Mas não havia nenhum método experimental para provar isso na época.

Lervik disse que até o final da década de 1930, os métodos de difração de raios-X não podiam provar que os elementos de liga se agregavam em pequenos aglomerados em nanoescala.

O alumínio puro é composto de muitos cristais. Um cristal pode ser considerado uma grade e cada quadrado da grade tem um átomo. A força é medida pela resistência das folhas ao deslizamento umas contra as outras.

Em uma liga, apenas uma pequena parte do quadrado é ocupada por outros elementos, o que torna mais difícil o deslizamento entre as folhas, aumentando assim a resistência.

Como Lervik explicou, o agregado é como uma pequena gota de tinta em um bloco de grade. Os elementos de liga se acumulam e ocupam dezenas de quadrados adjacentes, que se estendem por várias folhas. Junto com o alumínio, eles formam um padrão. Essas gotículas têm uma estrutura atômica diferente do alumínio, tornando mais difícil para os flocos no bloco de grade deslizarem por deslocamentos.

A agregação de elementos de liga é chamada "clusters". Em linguagem técnica, eles são chamados de Distrito de Ginier-Preston (GP), em homenagem aos dois cientistas que os descreveram pela primeira vez. Na década de 1960, as pessoas viram as regiões GP pela primeira vez através de um microscópio eletrônico, mas elas não foram vistas no nível de um único átomo até agora.

A aplicação prática é a mais importante

Nos últimos anos, muitos cientistas exploraram a composição dos agregados, mas pouco trabalho foi feito para entender sua estrutura nuclear. Em vez disso, muitos estudos se concentraram na otimização de ligas por meio de experimentos com endurecimento por envelhecimento em diferentes temperaturas e tempos, disse Lervik.

Em um ambiente industrial, o endurecimento por envelhecimento e a produção de misturas de metais fortes são obviamente muito importantes. No entanto, poucos pesquisadores e especialistas da indústria se importam com o que esses aglomerados de estrelas realmente consistem. Eles são pequenos demais para serem provados.

Lervik e seus colegas têm ideias diferentes.

Lervik disse que, por meio de nossos métodos experimentais, usamos com sucesso o microscópio eletrônico de transmissão de Trondheim para tirar fotos de agregados em nível atômico pela primeira vez em 2018.

A equipe de pesquisa também usou o instrumento de tomografia por sonda atômica recentemente instalado na NTNU para determinar a composição química dos agregados. O projeto de infraestrutura do Norwegian Research Council tornou essa descoberta possível. Esse investimento levou a uma nova compreensão dos fundamentos dos metais.

Os pesquisadores estudaram ligas de alumínio, zinco e magnésio, chamadas ligas de alumínio da série 7xxx. Essas ligas de metal leve estão se tornando cada vez mais importantes nas indústrias automotiva e aeroespacial.

Encontramos aglomerados de partículas com raio de 1,9 nanômetros no alumínio. Embora sejam numerosos, são difíceis de observar ao microscópio. Só podemos determinar a estrutura atômica sob condições experimentais especiais.

Essa é parte da razão pela qual ninguém fez isso antes. O experimento é complicado e requer equipamento experimental moderno e avançado.

Experimentamos muitas vezes como isso é complicado. Mesmo se conseguíssemos tirar fotos dos aglomerados de estrelas e extrair algumas informações sobre sua composição, levamos vários anos para aprender informações suficientes para descrever a estrutura do núcleo, disse Lervik.

Então, o que torna este trabalho tão especial? No passado, as pessoas pensavam que os agregados eram compostos de elementos de liga e talvez de espaços vazios dispostos mais ou menos aleatoriamente (quadrados vazios).

Lervik disse que descobrimos que podemos descrever todos os agregados que observamos em termos de uma única figura espacial geométrica chamada de octaedro de cubo truncado.

Para entender essa descoberta, devemos primeiro admitir que os cristais de alumínio (blocos quadrados) podem ser vistos como uma pilha de cubos, cada um com 8 cantos e 6 faces com átomos.

Esta estrutura é uma rede cúbica de átomos centrada no lado. Esta figura geométrica é como um cubo, e uma concha é formada pelos cubos circundantes. Nós o descrevemos como três camadas ao redor do cubo central: uma é o lado, a outra é o canto e a camada mais externa. Essas conchas são compostas, respectivamente, por 6 átomos de zinco, 8 átomos de magnésio e 24 átomos de zinco.

Esta figura explica ainda mais todas as unidades de cluster maiores, que podem ser conectadas e expandidas em três direções definidas. Esta imagem também explica as observações relatadas anteriormente por outros. Essas unidades de cluster ajudam a aumentar a resistência durante o envelhecimento.

Isso é importante para entender o tratamento térmico

Essas ligas também serão submetidas a tratamento térmico final em temperaturas mais altas (130-200 ° C) para formar precipitados maiores com uma estrutura de cristal transparente. Eles mantêm o plano atômico (folha) mais próximo e o fortalecem enormemente.

Acreditamos que a compreensão da estrutura atômica dos aglomerados atômicos formados pelo envelhecimento natural é essencial para uma maior compreensão do processo de formação da precipitação que determina as propriedades de tantos materiais. Durante o tratamento térmico, a precipitação formada nos aglomerados ou os aglomerados transformam-se em precipitação? Como otimizar e usar? Nosso trabalho futuro tentará responder a essas perguntas, disse Lervik.