Mapa da estrutura cristalina da liga feito em um microscópio eletrônico de varredura. Cada cor representa uma seção do cristal onde a estrutura repetitiva muda sua orientação 3D.
[Imagem: Berkeley Lab]
No quente e no frio
Uma liga metálica composta de nióbio, tântalo, titânio e háfnio está causando sensação graças à sua impressionante resistência e tenacidade em temperaturas extremamente quentes e extremamente frias, uma combinação de propriedades que até agora parecia quase impossível de se alcançar.
Neste contexto, a resistência é definida como quanta força um material pode suportar antes de ser permanentemente deformado de sua forma original, e a tenacidade é a sua resistência à fratura (fissuração ou rachadura).
A resiliência da nova liga à flexão e à fratura em uma enorme variedade de condições abre as portas para uma nova classe de materiais para motores de próxima geração, que podem operar com eficiências mais altas, incluindo as turbinas para geração de eletricidade, além de aplicações aeroespaciais.
"A eficiência da conversão de calor em eletricidade ou empuxo é determinada pela temperatura na qual o combustível é queimado - quanto mais quente, melhor. No entanto, a temperatura operacional é limitada pelos materiais estruturais que devem suportá-la," explicou David Cook, dos Laboratórios Berkeley, nos EUA. "Esgotamos a capacidade de otimizar ainda mais os materiais que usamos atualmente em altas temperaturas, e há uma grande necessidade de novos materiais metálicos. É nisso que esta liga se mostra promissora."
Este mapa mostra bandas de torção formadas perto da ponta da trinca - durante teste de propagação de trinca - na liga a -196°C.
[Imagem: Berkeley Lab]
Ligas de alta e média entropia
A nova liga pertence a uma classe de metais também recente, conhecida como ligas refratárias de alta ou média entropia, que também atendem pelas siglas em inglês RHEA (Refractory Medium Entropy Alloy) e RMEA (Refractory Medium Entropy Alloy).
A maioria dos metais que vemos em aplicações comerciais ou industriais são ligas feitas de um metal principal misturado com pequenas quantidades de outros elementos, mas as RHEAs e RMEAs são feitas misturando quantidades quase iguais de elementos metálicos com temperaturas de fusão muito altas, o que lhes dá propriedades únicas que os cientistas ainda estão desvendando - por exemplo, uma liga metálica que não perde a rigidez com o calor levou cinco anos para ser anunciada porque os cientistas não entendiam o que estava acontecendo com ela.
A maioria das RMEAs tem uma tenacidade à fratura inferior a 10 MPa.m, o que as torna alguns dos metais mais frágeis e quebradiços que se conhece.
Os melhores aços criogênicos, especialmente projetados para resistir à fratura, são cerca de 20 vezes mais resistentes do que esses materiais. No entanto, a nova liga RMEA de nióbio, tântalo, titânio e háfnio (Nb45Ta25Ti15Hf15) foi capaz de vencer até mesmo o aço criogênico, sendo 25 vezes mais resistente do que as RMEAs típicas à temperatura ambiente.
Mas os motores não funcionam à temperatura ambiente, então a equipe avaliou a resistência e a tenacidade da liga metálica em cinco temperaturas no total: -196 °C (a temperatura do nitrogênio líquido), 25 °C (temperatura ambiente), 800 °C, 950 °C e 1.200 °C, esta última temperatura sendo cerca de 1/5 da temperatura da superfície do Sol.
A liga apresenta a maior resistência no frio e torna-se ligeiramente mais fraca à medida que a temperatura sobe, mas mantém números impressionantes em toda a ampla faixa. A tenacidade à fratura, calculada a partir da força necessária para propagar uma trinca existente em um material, foi alta em todas as temperaturas.
Bibliografia:
Artigo: Kink bands promote exceptional fracture resistance in a NbTaTiHf refractory medium-entropy alloy
Autores: David H. Cook, Punit Kumar, Madelyn I. Payne, Calvin H. Belcher, Pedro Borges, Wenqing Wang, Flynn Walsh, Zehao Li, Arun Devaraj, Mingwei Zhang, Mark Asta, Andrew M. Minor, Enrique J. Lavernia, Diran Apelian, Robert O. Ritchie
Revista: Science
Vol.: 384, Issue 6692 pp. 178-184
DOI: 10.1126/science.adn2428
