Plasticidade e resistência: endurecimento do intermetálico sem ênfase na luxação

Milhares de anos atrás, a humanidade se familiarizou com materiais surpreendentes que encontraram sua aplicação em vários campos da vida. Estes eram metais. Como muitas vezes não podemos apenas usar o que o planeta nos dá, muitas grandes mentes inventaram várias maneiras de fortalecer / endurecer metais. Mas tudo tem seu próprio limite, e foi considerado impossível superar certas limitações da estrutura cristalina dos metais em relação às deslocações. Hoje vamos nos familiarizar com um estudo em que cientistas da Universidade de Wisconsin, em Madison (EUA), demonstraram que era hora de reescrever as regras previamente estabelecidas sobre metais. O que exatamente foi possível fazer com a estrutura cristalina do metal, por que a fixação de deslocamentos não é tão simples e que tipo de pão está escondido para a humanidade neste estudo? Aprendemos sobre isso com o relatório dos cientistas. Vamos lá

Base de estudo

Forjar o ferro, sem sair da caixa registradora. Vários termos físicos estão ocultos nessa metáfora de uma só vez, um dos quais é a maleabilidade - uma propriedade de um material que determina sua capacidade de ser processado por deformação, ou seja, forjado. Para metais, a ductilidade é um tipo de indicador de ductilidade. É esse indicador que mais sofre no caso de fortalecer a resistência do metal, pelo qual, em um determinado momento crítico, ele pode simplesmente quebrar. Neste estudo, os cientistas criaram uma técnica para esquecer esse problema, mas um pouco mais tarde.

No início do século passado, os cientistas perceberam que dobrar um metal é muito mais fácil do que dobrar sua estrutura molecular, que geralmente é uma estrutura tridimensional. Nada é perfeito e tudo tem defeitos, mesmo a estrutura cristalina de um sólido. Eles são chamados de deslocamentos. Essas imprecisões da rede são suficientemente móveis, o que permite que os metais sejam tão maleáveis. Se queremos endurecer o metal, as deslocações não podem ser tocadas, elas são intocáveis, pelo menos como se pensava anteriormente.

No trabalho que estamos considerando hoje, os cientistas conseguiram obter um alto grau de deformação plástica para intermetálicos * sem o auxílio de deslocamentos.

Intermetálico * - um composto de dois ou mais metais.

Vale ressaltar que seus grãos (cristalitos) desempenham um papel importante nas propriedades mecânicas dos metais. Se os grãos são pequenos, o principal mecanismo de deformação é o deslizamento / deslocamento dos limites dos grãos. Se os grãos são grandes, o metal é deformado por amorfização direta ao longo do plano de cisalhamento.



O fortalecimento do metal é alcançado de várias maneiras, sendo a mais eficaz a alteração no tamanho dos grãos. Quanto menor o grão, mais forte o metal. Mais cientificamente, isso pode ser expresso como a lei de Hall-Petch (ou a relação Hall-Petch). O efeito desta lei entra em vigor quando o movimento de deslocamentos ao longo dos limites dos grãos é bloqueado. No entanto, a escala de resistência, dependendo do tamanho do grão descrito por esta lei, pode destruir metais com uma rede de cristal centrada na face.


Esquema da rede centrada na face.

Além disso, essa lei não pode ser aplicada infinitamente, porque quando o tamanho do grão é menor que 12-15 nm, a resistência do metal não aumenta, como sugere a lei de Hall-Petch, mas diminui. Esse fenômeno é chamado de lei inversa de Hall-Petch.

Os pesquisadores não negam que a fixação de deslocamentos permita o endurecimento do metal, mas isso tem um efeito negativo tangível em sua ductilidade. É por esse motivo que o estudo de outros mecanismos para a colocação de deformações, além de deslocamentos, pode abrir novas possibilidades para a construção de materiais com propriedades mecânicas únicas.

Em seu trabalho, os cientistas realizaram modelagem e experimentos práticos usando pentacobalto de samário (SmCo ₅ ) - um composto intermetálico constituído por cobalto e samário. Eles conseguiram provar que a deformação plástica sem ênfase nas deslocações não é apenas possível, mas também facilmente alcançável.

Resultados da pesquisa

Antes de testar tudo na prática, os cientistas realizaram uma simulação usando o modelo de átomo incorporado ( EAM ), adaptado às muitas propriedades de Sm, Co e Sm - Co. Nos cálculos, diferentes tamanhos de grão foram levados em consideração: de 5 nm a 65 nm. Cada uma das amostras estudadas no modelo continha 10 grãos com orientação aleatória. O tamanho do grão durante a transição de amostra para amostra mudou, mas a orientação permaneceu a mesma. Os cientistas criaram modelos de tensão uniaxial e compressão uniaxial a uma taxa de deformação de 10 ⁸ s ^-1 .


Imagem Nº 1

Os gráficos 1a e 1b mostram os resultados de uma simulação de compressão. Verificou-se que a conservação da plasticidade é mantida até tamanhos de grão de 37 nm. No caso de grãos maiores, é observado um aumento no estresse, mas não há sinais da razão Hall-Petch.

Para comparação, os cientistas realizaram uma simulação de tração para o cobre (Cu), durante a qual os sinais da implementação da relação Hall-Petch e a razão inversa de Hall-Petch para grãos menores que 12 nm eram claramente visíveis.

Ao mesmo tempo, as amostras de SmCo ₅ mostram uma deformação plástica clara para todos os tamanhos de grãos, sem vazios ou rachaduras, mesmo que a verdadeira deformação atinja 18%.

Para confirmar os resultados da simulação, os pesquisadores mediram a microdureza das amostras de SmCo ₅ com diferentes tamanhos de grão. Foi encontrada diferença nos resultados da dependência medida da dureza no tamanho do grão ( 1c ) e na dependência da resistência no tamanho do grão ( 1b ) obtido durante a simulação. Tendo em vista o fato de que se espera proporcionalidade aproximada de microdureza e resistência, pode-se dizer que os experimentos confirmaram os resultados da simulação.

Verificou-se também que a resistência do SmCo ₅ (~ 2 GPa com um tamanho de grão de 12 nm) é comparável à resistência da treliça hcp (hexagonal compactada) Co.

Nos metais HCPs (centrados na face) e HCPs (hexagonais compactados), o aprimoramento dos limites de grãos com uma diminuição no tamanho dos grãos é explicado por uma diminuição no número de deslocamentos formados nos limites em materiais de granulação fina.

Nos modelos apresentados no estudo, não foi observado deslizamento de luxações, o que é consistente com as barreiras de energia relativamente altas para a nucleação e movimento de luxações encontradas nos cálculos da superfície de energia potencial (PES) de um deslizamento rígido.


Imagem No. 2

A Figura 2a mostra exemplos de PES calculados usando a teoria funcional da densidade (DFT) e o modelo de átomos imersos (EAM). Os cientistas observam que, apesar da falta de uma relação direta entre potencial e PES, ambos os métodos deram resultados muito semelhantes.

A menor pontuação EM, ou seja, foi observado o máximo de energia (1982 mJ / m ² ) para o deslizamento basal [(0001) ⟨1120⟩]. O piramidal 2 s + um escorregamento [(1121) 121126⟩] tem um EM comparável no estágio de escorregamento inicial, mas o EM real que surge a uma distância de escorregamento de 6,5 Å é muito alto (65280 mJ / m ² ). O c + piramidal deslizamento [(1121) 112113⟩] demonstra EM (29680 mJ / m ² ) imediatamente no início do deslizamento.

A observação mais importante, de acordo com os pesquisadores, é que, para o SmCo _5, até o menor EM é uma ordem de grandeza maior que os valores calculados para os metais comuns.

Além disso, a energia introduzida no cristal pela luxação é proporcional a b ² , onde b é o comprimento do vetor Burgers * . Os valores de b para deslocamentos em SmCo _{5 estão} acima de 5 Å, ou seja, significativamente maior que, por exemplo, o valor de 2,55 Å para Cu [(111) ⟩110⟩] e 3,21 Å para sistemas de deslizamento Mg [(0001) ⟨1120⟩].

Vetor de Burgers * - descreve quantitativamente as distorções da estrutura cristalina em torno do deslocamento.

Embora o deslize completo por deslocamento não tenha sido observado durante os experimentos, havia sinais de deslizamento parcial ( 2b + 2c ) no sistema piramidal ( 2b ). A natureza desse escorregamento parcial pode ser entendida se prestarmos atenção ao PES no gráfico 2a . No início do deslizamento, a energia é bastante baixa e o deslizamento para a uma distância inferior a ~ 1,5 Å, porque colide com um EM alto.

A imagem 2b mostra slides piramidais incompletos, enquanto a imagem 2c mostra o mesmo, mas no nível atômico.

A distância de escorregamento observada durante a simulação é muito menor que o comprimento do vetor Burgess, que é 9,5 Å.

Deslizamento basal não foi detectado. Isso pode ter a seguinte explicação: a probabilidade de um único plano basal ter a maior tensão de cisalhamento é menor do que a probabilidade de que um dos três planos para 2 s + um deslizamento tenha uma tensão de cisalhamento alta o suficiente para iniciar um deslizamento ( 2c ), mesmo que o deslizamento basal tenha o menor EM.

É óbvio que o SmCo ₅ não possui cinco sistemas de deslizamento independentes para deslocamentos (de fato, eles não são de todo) que podem continuar a se adaptar à deformação, garantindo uma deformação plástica arbitrária do policristalino. Materiais desse tipo são geralmente muito frágeis, mas não neste caso, pois a modelagem mostrou claramente um alto grau de ductilidade.


Imagem No. 3

Durante a modelagem e os cálculos, verificou-se que a ductilidade do SmCo ₅ se deve ao deslizamento dos limites dos grãos e à amorfização direta ao longo do plano de cisalhamento. Os cientistas denominaram as estruturas obtidas como resultado de tais processos como faixas de cisalhamento amorfo * .

Banda de cisalhamento * - área de deformação local em um metal ou liga.

Na maioria das vezes, os chamados mecanismos de acomodação são necessários para a ocorrência de deslizamento de limite em materiais policristalinos, isto é, mecanismos que aliviam o estresse acumulado em uma junta tripla (como um tee em geologia) devido ao deslizamento dos limites de grãos adjacentes ( 3a - 3d ).

Quando a tensão de cisalhamento da fronteira excede sua resistência, ocorre o próprio deslizamento da fronteira ( 3a ) e o acúmulo de tensão local no composto ternário ( 3b ). O estresse local resiste a deslizar ainda mais ao longo da fronteira e começa a crescer com o aumento do estresse. No momento de atingir o ponto crítico, o estresse leva à formação de uma banda de cisalhamento amorfo a partir do composto ternário ( 3c ). Devido ao fato de a nucleação heterogênea liberar estresse local ( 3d ), o deslizamento dos limites continua. Durante esse processo, é observado um abrandamento repentino e, depois disso, estabilização da tensão. Processos semelhantes foram observados tanto para deformação à tração quanto para compressão.

Para confirmar a amorfa das regiões dentro do deslizamento, foram calculadas as funções de distribuição de pares ( PDF - função de distribuição de pares ) de Co-Co e Sm-Sm em regiões de grãos locais. Os resultados do cálculo foram comparados com os de um único cristal e massa amorfa ( 3e , 3f ).

Uma análise comparativa dos cálculos mostrou que, para amostras deformadas sob compressão para 9,4%, os picos no PDF da zona cristalina são maiores e menores devido a distorções locais, mas, no entanto, apresentam uma clara semelhança com os de um único cristal. Porém, os PDFs calculados dentro da faixa de cisalhamento coincidem perfeitamente com os da amostra SmCo ₅ amorfa a granel e a dependência do PDF no tamanho dos grãos não foi detectada.

Em seguida, os cientistas tiveram que verificar suas previsões de que o SmCo ₅ poderia sofrer deformação plástica significativa. Para isso, foram realizadas experiências durante as quais as amostras na forma de micro-colunas foram sujeitas a deformação.

Verificou-se que as amostras de SmCo ₅ realmente se deformam plasticamente e não colapsam quando expostas a mais de 20% de estresse. Em seguida, a microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HRTEM) foi usada em uma amostra de SmCo ₅ que foi deformada por pressão. Isso possibilitou verificar a teoria das bandas de cisalhamento amorfo causadas pelo estresse. A microscopia confirmou a presença de várias bandas de cisalhamento na região de deformação ( 3g ). O mais interessante é que não foram encontradas deslocações na área de estudo.

Os gráficos FFT (transformada rápida de Fourier) e FFT inversa mostraram que a banda de cisalhamento é amorfa, enquanto as regiões fora da banda são cristalinas ( 3h - 3j ). Verificou-se também que as bandas de cisalhamento amorfo se propagam nos grãos sem rachaduras.

Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo que você analise o relatório dos cientistas e materiais adicionais .

Epílogo

Neste trabalho, os pesquisadores foram capazes de demonstrar com sucesso sua teoria na prática - o mundo não convergiu em deslocamentos em deslocamentos. Por muitos anos, os cientistas acreditaram que as deslocações deveriam ser móveis, o que permitirá que o metal seja dúctil e não quebre com o menor estresse. No entanto, essa afirmação é incorreta, o que foi confirmado pelo estudo que examinamos hoje.

No futuro, cientistas da Universidade de Wisconsin pretendem continuar o estudo de metais, concentrando-se na busca por suas propriedades ocultas. Talvez essas propriedades não sejam tão ocultas, talvez apenas uma declaração incorreta previamente estabelecida nos direcione na direção errada das pesquisas? Talvez sim, talvez os pesquisadores no futuro possam desmascarar mais alguns "axiomas" do mundo da ciência dos materiais. Não é à toa que eles dizem, confie - mas verifique.

Obrigado pela atenção, continuem curiosos e tenham uma boa semana de trabalho, pessoal! :)

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