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Metal trincado que regenera as rachaduras sozinho

Foi um resultado tão inesperado que os pesquisadores do MIT, inicialmente pensaram que se tratava de um erro. Sob certas condições, colocando um pedaço de metal rachado sob pressão – ou seja, exercendo uma força capaz de separá-lo em dois pedaços ocorreu o efeito inverso , fazendo com que suas bordas se fundissem.

A surpreendente descoberta poderia levar a materiais que se auto-recuperam para reparar danos incipientes antes que eles tenham a chance de se espalhar. Os resultados foram publicados na recentemente na revista Physical Review Letters.

“Nós tivemos que voltar e verificar”, diz Demkowicz , “quando em vez de se estender, a rachadura estava fechando. Primeiro, descobrimos que, na verdade, nada havia de errado. A próxima pergunta foi: “Por que isso está acontecendo?”

A resposta acabou por estar na forma como os contornos interagem com fissuras na microestrutura cristalina de um metal – neste caso, o níquel , o qual é a base para “superligas” utilizadas em ambientes extremos , tais como poços de petróleo em águas profundas .

Com a criação de um modelo de computador de microestrutura que estuda a resposta a várias condições , “Nós descobrimos que há um mecanismo que pode, em princípio, fechar as rachaduras em qualquer tensão aplicada “, diz Demkowicz.

Confira a simulação do metal se regenerando

Uma simulação de computador da estrutura molecular de uma liga de metal, que mostra as fronteiras entre grãos microcristalinos (linhas brancas que formam hexágonos), mostra uma pequena rachadura (barra escura horizontal logo à direita da parte inferior central) que se conserta como o metal é colocado sob estresse. Esta simulação foi uma das muitas que os pesquisadores do MIT usaram para descobrir este novo fenômeno de regeneração do metal.

A maioria dos metais são feitos de minúsculos grãos cristalinos cujos tamanhos e orientações podem afetar a resistência e outras características. Mas, sob certas condições, Demkowicz e Xu descobriram que o stress faz com que a microestrutura mude e pode fazer com que os contornos dos grãos migrem. Esta migração do contorno dos grão é a chave para a cura de rachaduras, segundo Demkowicz.

Os grânulos da microestrutura cristalina do níquel migram pelas bordas para fechar a trinca.

A própria ideia de que os limites dos grãos de cristal poderiam migrar dentro de um metal sólido tem sido extensivamente estudada na última década, diz Demkowicz. A auto-regeneração do metal, no entanto, ocorre apenas através de um certo tipo de limite, ele explica que se estende parcialmente em um grão, mas não todo o caminho através dele. Isto cria um tipo de defeito que é conhecido como um disclinação.

Disclinações foram notadas pela primeira vez há um século, mas haviam sido consideradas “apenas uma curiosidade”, diz Demkowicz. Quando ele e Xu encontraram o comportamento de regeneração de rachaduras, ele diz, “que levou um tempo para nos convencermos de que o que estamos vendo eram realmente disclinações “.

Esses defeitos têm campos de estresse intenso, o que pode ser tão forte, que eles realmente revertem o que uma carga aplicada faria, em outras palavras, quando os dois lados de um material rachado são separadas, em vez de rachar ainda mais , ele pode se regenerar. O estresse dos disclinações está levando a este comportamento inesperado, afirma Demkowicz.

Tendo descoberto esse mecanismo, os pesquisadores planejam estudar como criar ligas metálicas em que rachaduras iriam fechar e se regenerar sob cargas típicas de aplicações específicas. Técnicas para controlar a microestrutura de ligas já existem, Demkowicz afirmar que isso é apenas uma questão de descobrir como alcançar um resultado desejado.

“Esse é um campo que estamos apenas começando a explorar”, diz ele.

A técnica pode também se aplicar a outros tipos de mecanismos de falha que afetam os metais, tais como a instabilidade do fluxo de plástico – semelhante ao que se estende em um pedaço de caramelo até que quebre. Microestrutura de metais de engenharia para gerar disclinações poderia retardar a progressão deste tipo de falha, diz Demkowicz.

Essas falhas podem ser situações que limitam a vida de uma grande quantidade de materiais, incluindo materiais utilizados em aeronaves, poços de petróleo, e outras aplicações industriais críticas. Fadiga de metal, por exemplo pode ser resultado de um acúmulo de rachaduras em nanoescala ao longo do tempo  e é provavelmente o modo de falha mais comum para os metais estruturais em geral.

Se você pode descobrir como evitar essas nano rachaduras, ou regenera-las, uma vez que se formarem, ou impedir sua propagação, este seria o tipo de coisa que você resultaria na melhora da vida ou na segurança de um componente.

Referências

  1. Guoqiang Xu, Michael J. Demkowicz. “Healing of Nanocracks by Disclinations”. Physical Review Letters: 2013. DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.145501
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Escrito por Equipe de Redação Ciências e Tecnologia

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Pesquisadores do MIT descobriram o processo no qual um metal pode se auto-regenerar de rachaduras sobre pressão. O Metal trincado cicatriza sozinho