Effects of equal-channel angular pressing and equal-channel multi-angular pressing on the microstructure and mechanical performance of aluminum strips

Os metais raramente são usados em sua forma bruta, fundida. Para torná-los fortes o suficiente para aviões, carros ou edifícios, os engenheiros devem alterar sua estrutura interna. Imagine um bloco de metal como uma coleção de pequenos cristais, ou grãos, compactados uns aos outros. Em uma peça de alumínio macia e não tratada, esses grãos são relativamente grandes e organizados de forma frouxa. Para tornar o metal mais duro e forte, os cientistas utilizam uma técnica chamada deformação plástica severa. Isso envolve forçar o metal através de um espaço confinado sem alterar sua forma geral, essencialmente espremendo os grãos internos até que sejam esmagados em pedaços muito menores. Quanto menores os grãos, mais forte o metal se torna, porque os limites entre eles atuam como barreiras que impedem o material de dobrar ou quebrar facilmente. Esse processo é crucial para indústrias que necessitam de materiais leves que possam suportar estresses imensos.

Em um estudo recente, pesquisadores buscaram comparar dois métodos específicos deste processo de compressão para ver qual funcionava melhor para tiras finas de alumínio. Os dois métodos são conhecidos como prensagem por canal igual e prensagem multiangular por canal igual. Ambos envolvem empurrar uma tira de metal através de uma matriz, ou molde, que possui canais que se interceptam. A diferença reside no design: um método utiliza um único ponto de interseção, enquanto o outro utiliza dois. A equipe queria saber qual design criaria a estrutura de grãos mais fina e uniforme e resultaria no material mais forte. Eles escolheram uma liga de alumínio comercial comum, frequentemente usada em isolamento e manufatura geral, e submeteram essas tiras a esses processos até três vezes para observar como o metal mudava a cada passagem.

Os pesquisadores começaram com tiras de alumínio que haviam sido amolecidas pelo aquecimento em um forno, um passo que tornou seus grãos internos grandes e uniformes. Em seguida, alimentaram essas tiras através das duas prensas diferentes à temperatura ambiente. A primeira prensa, a versão de canal único, forçou o metal através de uma curva acentuada. A segunda prensa, a versão multicanal, guiou o metal através de duas curvas sucessivas. Após cada passagem, a equipe examinou o metal sob microscópios potentes e testou quanta força ele suportaria antes de quebrar. Eles também mediram a resistência do metal a riscos, uma propriedade conhecida como dureza, e observaram a superfície do metal após ele romper para ver como ocorria a falha.

Os resultados mostraram que ambos os métodos conseguiram decompor os grandes grãos em outros muito menores, mas o fizeram de maneiras e com níveis de sucesso diferentes. A prensa de canal único provou ser a ferramenta mais agressiva. Após três passagens, ela reduziu o tamanho do grão de uma faixa de até oito micrômetros para uma faixa de apenas 2,4 micrômetros. Esse processo criou uma mistura de grãos muito finos e alguns grãos ultrafinos, quase em escala nanométrica. O metal tornou-se significativamente mais forte e duro. Sua capacidade de resistir a forças de tração, conhecida como resistência à tração, aumentou quase 94 por cento, e sua resistência à deformação permanente, ou limite de escoamento, subiu cerca de 21 por cento. O metal também se tornou mais duro ao toque, com um aumento de dureza de mais de 63 por cento na direção da compressão.

A prensa multicanal também melhorou o metal, mas as mudanças foram menos dramáticas. Embora tenha refinado os grãos, o tamanho final permaneceu maior, estabilizando-se em uma faixa de até 5,5 micrômetros após três passagens. O metal tornou-se mais forte, com um aumento de resistência à tração de aproximadamente 129 por cento e um aumento de limite de escoamento de cerca de 31 por cento, mas o efeito de endurecimento não foi tão intenso quanto o do método de canal único. A dureza do metal aumentou cerca de 54 por cento na direção da prensa, o que foi substancial, mas ainda inferior ao resultado do canal único. Os pesquisadores observaram que o processo multicanal às vezes levava a uma estrutura ligeiramente mais grosseira em certas áreas, provavelmente porque o metal experimentou um padrão de tensão diferente ao mover-se através das duas curvas.

Quando a equipe observou como o metal quebrava, encontrou evidências claras dessas mudanças internas. O alumínio original, macio, quebrava com crateras grandes e profundas em sua superfície, um sinal de que ele se esticava e deformava facilmente antes de romper. À medida que o metal era processado, essas crateras tornavam-se menores e mais rasas. Essa mudança indicou que o metal havia se tornado mais forte, porém menos flexível. O metal processado pelo canal único mostrou a redução mais significativa no tamanho das crateras, confirmando que sua estrutura interna fora alterada de forma mais drástica. A equipe observou que, embora o metal tivesse se tornado muito mais forte, ele também perdeu parte de sua capacidade de estiramento, uma compensação comum neste tipo de fortalecimento.

O estudo concluiu que, embora ambas as técnicas sejam eficazes para refinar a estrutura de tiras de alumínio, o método de canal único é superior para alcançar dureza e resistência máximas neste material específico. A prensa de canal único criou uma estrutura de grãos mais uniforme e fina, levando a um efeito de fortalecimento mais pronunciado. A prensa multicanal, embora ainda benéfica, produziu um resultado ligeiramente mais grosseiro. Essas descobertas fornecem um guia claro para fabricantes: se o objetivo é tornar as tiras finas de alumínio o mais fortes e duras possível, a rota de prensagem de canal único é a escolha mais eficiente. A pesquisa destaca como a geometria específica de uma ferramenta pode ditar a qualidade final de um material, oferecendo uma maneira precisa de moldar metais para aplicações industriais exigentes.