Tailoring strength-ductility of Al 0.8 CoCrFeNi/Al composites fabricated by deformation-driven metallurgy via incorporating high-energy ball milling pretreatment
O pré-tratamento por moagem de alta energia ajusta eficazmente as propriedades mecânicas dos compósitos de Al0.8CoCrFeNi/Al ao refinar o tamanho do reforço e aumentar a densidade de deslocações, aumentando assim significativamente o limite de escoamento e a resistência à tração última, mantendo simultaneamente uma ductilidade razoável.
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Na busca incessante por materiais mais leves e fortes para tudo, desde aeronaves até veículos elétricos, os cientistas há muito buscam o alumínio. É um metal que oferece um excelente equilíbrio entre leveza e resistência, mas, para as aplicações mais exigentes, ele precisa de um reforço. Uma maneira promissora de dar esse reforço ao alumínio é misturando-o com partículas minúsculas de uma classe especial de metais conhecidos como ligas de alta entropia. Estas não são os metais típicos; são misturas complexas de vários elementos diferentes que, quando combinados, criam um material incrivelmente resistente, resistente à corrosão e capaz de suportar calor extremo. O desafio, no entanto, reside no casamento desses dois materiais. Se as partículas da liga de alta entropia forem grandes demais ou se agruparem, elas criam pontos fracos no alumínio, fazendo com que o produto final falhe sob estresse. O objetivo é dispersar essas partículas de reforço de forma tão fina e uniforme em todo o alumínio que elas atuem como um escudo uniforme contra a deformação, fortalecendo o metal sem torná-lo quebradiço.
Pesquisadores da Fabricante de Equipamentos Aeroespaciais de Xangai e do Instituto de Tecnologia de Harbin enfrentaram esse desafio refinando um método chamado metalurgia por deformação. Esse processo é essencialmente uma forma de forjar metal a partir de pó sem derretê-lo, usando pressão e fricção intensas para misturar os ingredientes em um bloco sólido. Em seu trabalho mais recente, publicado em um artigo de pesquisa, a equipe introduziu uma etapa prévia crucial: um pré-tratamento vigoroso usando moagem de bolas de alta energia. Imagine um tambor pesado cheio de bolas de aço e uma mistura de pós de alumínio e de liga de alta entropia. À medida que o tambor gira, as bolas colidem com o pó com uma força tremenda, esmagando as partículas, achatando-as e soldando-as repetidamente. Os pesquisadores queriam ver quanto tempo precisariam manter esse tambor girando para obter o resultado perfeito. Eles testaram diferentes durações, variando de quinze a trinta horas, para observar como o pó mudava e como essas mudanças afetavam a resistência final do compósito de alumínio.
Os resultados revelaram uma clara história de transformação. À medida que o tempo de moagem aumentava, os grandes pedaços irregulares de liga de alta entropia eram gradualmente esmagados em grãos muito mais finos e uniformes. Inicialmente, as partículas eram relativamente grandes e distribuídas de forma desigual, mas após vinte e cinco horas de moagem, elas haviam sido refinadas em grãos equiaxiais minúsculos, com menos de meio micrômetro de tamanho. Esse refinamento não era apenas sobre o tamanho; era sobre como as partículas estavam inseridas dentro do alumínio. A moagem intensa introduziu um número massivo de defeitos, conhecidos como deslocações, na estrutura cristalina do pó de alumínio. Esses defeitos atuaram como sementes, encorajando o alumínio a reorganizar sua estrutura interna em um padrão de grãos mais fino e robusto quando posteriormente forjado em um bloco sólido. Os pesquisadores descobriram que, quanto mais longa a moagem continuava, mais os grãos de alumínio eram capazes de recristalizar em um arranjo apertado e uniforme, o que é essencial para um material forte.
Quando a equipe forjou esses pós pré-tratados em blocos sólidos, a diferença de desempenho foi marcante. Os compósitos feitos com pós moídos por períodos mais curtos mostraram sinais de fraqueza, com partículas maiores atuando como pontos de início para rachaduras. No entanto, as amostras tratadas por vinte e cinco horas exibiram uma combinação notável de resistência e flexibilidade. Elas puderam suportar uma força de 282 megapascais antes de começarem a se deformar permanentemente, e aguentaram até 341 megapascais antes de quebrar, tudo isso enquanto se esticavam em 12,4 por cento. Este alongamento é significativo; significa que o material não estilhaçou como vidro, mas sim dobrou e esticou, absorvendo energia antes de falhar. As superfícies de fratura dessas amostras bem-sucedidas mostraram um padrão uniforme de minúsculas covas, indicando que o material se esticou uniformemente em vez de se rasgar em pontos fracos. Em contraste, amostras feitas com menos tempo de moagem mostraram partículas maiores e irregulares que desencadearam rachaduras precoces.
O estudo confirma que o pré-tratamento por moagem de bolas é uma ferramenta poderosa para moldar as propriedades desses compósitos avançados. Simplesmente ajustando a duração do processo de moagem, os pesquisadores puderam controlar o tamanho das partículas de reforço e a estrutura interna da matriz de alumínio. A marca de vinte e cinco horas pareceu ser o ponto ideal em seus experimentos, onde as partículas eram pequenas o suficiente para serem perfeitamente dispersas e a estrutura do alumínio estava suficientemente refinada para maximizar a resistência sem sacrificar demasiada ductilidade. Esta abordagem oferece um caminho prático para a criação de materiais à base de alumínio que sejam leves o suficiente para uso aeroespacial, mas fortes o suficiente para suportar os rigores do voo. O trabalho demonstra que, com a preparação correta, o potencial das ligas de alta entropia para reforçar o alumínio pode ser totalmente realizado, transformando uma mistura de pós em um material capaz de suportar as demandas extremas da engenharia moderna.
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