Influence of non-ferromagnetic Al/Cr ratio on microstructure, magnetic and corrosion properties of medium-entropy alloys

No mundo da ciência dos materiais, os engenheiros buscam constantemente metais que possam fazer mais do que apenas manter uma forma. Eles desejam ligas que sejam fortes o suficiente para construir máquinas, resistentes o suficiente para sobreviver a ambientes severos e sensíveis o suficiente para interagir com campos magnéticos. Durante décadas, o foco tem sido nas ligas de alta entropia, uma classe de metais fabricados pela mistura de cinco ou mais elementos em quantidades quase iguais. Essas misturas criam uma estrutura atômica caótica que frequentemente leva a uma força e estabilidade surpreendentes. Uma "prima" um pouco menos lotada, conhecida como ligas de média entropia, utiliza três ou quatro elementos principais. Embora compartilhem o mesmo espírito atômico caótico, essas ligas oferecem um campo de jogo mais manejável para os cientistas ajustarem propriedades específicas. O desafio reside em encontrar o equilíbrio perfeito: adicionar um elemento para tornar o metal mais duro pode acidentalamente arruinar sua capacidade de conduzir magnetismo ou resistir à ferrugem. Compreender como equilibrar essas necessidades conflitantes é a chave para projetar a próxima geração de materiais para tudo, desde motores elétricos até dispositivos médicos.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Minzu de Guangxi estabeleceu recentemente o objetivo de resolver um quebra-cabeça específico dentro deste campo. Eles se concentraram em uma família de ligas de média entropia feitas principalmente de ferro e cobalto, dois elementos conhecidos por sua forte atração magnética. A esses fundamentos magnéticos, eles adicionaram alumínio e cromo, dois elementos não magnéticos que atuam como reguladores poderosos. Os pesquisadores não adicionaram esses ingredientes aleatoriamente; eles ajustaram cuidadosamente a proporção de alumínio para cromo ao longo de uma série de amostras. O objetivo era ver como o deslocamento desse equilíbrio alteraria a estrutura interna do metal, quão difícil seria riscá-lo, como ele se comportaria em um campo magnético e quão bem resistiria à corrosão em um ambiente salino. Ao fundir ferro, cobalto, alumínio e cromo de alta pureza juntos em um vácuo para evitar contaminação, eles criaram um conjunto de seis ligas distintas, cada uma com uma receita ligeiramente diferente.

Quando os cientistas olharam dentro desses metais usando difração de raios X e microscopia eletrônica, viram uma história clara de transformação. A amostra com a menor quantidade de alumínio começou como uma mistura de dois arranjos atômicos diferentes, conhecidos como estruturas cúbica de face centrada e cúbica de corpo centrado. À medida que aumentavam o conteúdo de alumínio, o cenário interno mudava. Uma nova estrutura altamente ordenada chamada fase B2 começou a aparecer e crescer. Esta fase é como uma grade perfeitamente organizada dentro do metal, distinta dos arranjos mais aleatórios encontrados nas outras amostras. Em um ponto específico no meio de sua série, o metal continha brevemente três fases diferentes coexistindo, mas conforme o alumínio continuava a aumentar, a estrutura se estabilizava em um estado de fase dupla estável, dominado pelas estruturas cúbica de corpo centrado e B2 ordenada. Essa mudança foi impulsionada pela diferença de tamanho entre os átomos; os átomos maiores de alumínio forçaram a rede cristalina a expandir, obrigando os átomos a se rearranjarem nesses novos padrões mais ordenados.

Este rearranjo teve um efeito direto e dramático na dureza do metal. A dureza, que mede a resistência de um material a ser riscado ou amassado, não subiu ou desceu simplesmente em uma linha reta. Em vez disso, ela subiu rapidamente conforme o conteúdo de alumínio aumentava, atingindo um pico quando a proporção de alumínio estava em um nível intermediário específico. Neste ponto, o metal era incrivelmente denso em contornos entre suas diferentes fases internas, criando uma rede complexa que tornava muito difícil o movimento de defeitos através do material. Isso tornou a liga no seu ponto mais duro significativamente mais resistente do que o material inicial. No entanto, conforme os pesquisadores adicionavam ainda mais alumínio além desse pico, a dureza começava a declinar lentamente, embora permanecesse bastante alta em comparação com a mistura original. O metal tornou-se mais uniforme e, embora tenha perdido parte dessa resistência extrema ao risco, manteve um nível substancial de força.

O comportamento magnético das ligas contou uma história ainda mais envolvente. Ferro e cobalto são naturalmente magnéticos, mas a presença de cromo na mistura tende a enfraquecer esse magnetismo ao criar um tipo de interação que cancela a atração magnética. Ao aumentar a quantidade de alumínio e reduzir o cromo, os pesquisadores efetivamente silenciaram esse efeito de cancelamento. À medida que o conteúdo de alumínio subia, a capacidade do metal de se magnetizar crescia cada vez mais, eventualmente atingindo um platô elevado. Ao mesmo tempo, o metal tornou-se muito mais fácil de magnetizar e desmagnetizar, uma qualidade conhecida como baixa coercividade, que é essencial para materiais magnéticos moles usados em eletrônicos. A amostra com o maior conteúdo de alumínio entre os melhores desempenhos mostrou a atração magnética mais forte e a menor resistência para mudar seu estado magnético, tornando-a uma candidata ideal para aplicações magnéticas de alto desempenho.

A resistência à corrosão, ou a capacidade de resistir à ferrugem em água salgada, seguiu um caminho mais complexo. Os pesquisadores testaram as ligas em uma solução salina para ver quão rápido elas se degradariam. Eles descobriram que o metal com o menor conteúdo de alumínio tinha um potencial químico muito estável, o que significa que era naturalmente relutante em começar a corroer. No entanto, conforme avançavam para o meio de sua série, a resistência à corrosão caía significamente. Isso ocorreu porque a mistura complexa de três fases diferentes nas amostras do meio criou pequenos circuitos elétricos dentro do metal, acelerando o processo de oxidação. Mas conforme avançavam para o final de alto teor de alumínio, a resistência à corrosão melhorava novamente. As ligas com o maior conteúdo de alumínio formaram uma camada de óxido muito apertada e protetora em sua superfície, que atuou como um escudo contra o sal. Uma liga específica neste grupo de alto alumínio mostrou a melhor proteção geral, formando um filme passivo que era incrivelmente estável e resistente à decomposição.

A conclusão definitiva deste trabalho é que, ao ajustar cuidadosamente a proporção de apenas dois ingredientes não magnéticos, os pesquisadores puderam direcionar o metal para diferentes forças. Eles identificaram uma liga específica que oferecia uma combinação notável de todos os traços desejados. Este material possuía alta dureza, excelente desempenho magnético com forte atração e baixa resistência, e boa proteção contra corrosão. Embora não fosse o absoluto melhor em resistir à ferrugem comparado a outra amostra da série, foi a única que conseguiu equilibrar com sucesso todas as três propriedades críticas. Esta descoberta sugere que engenheiros podem agora projetar ligas de média entropia com precisão, selecionando a receita química exata necessária para criar materiais que sejam fortes, magnéticos e duráveis para uso em dispositivos elétricos avançados e microeletrônica.