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Você sabe como aumentar a resistência mudando a estrutura do material?
No mundo atual da engenharia, as propriedades mecânicas dos materiais são de suma importância. Da construção à indústria aeroespacial, resistência, ductilidade e tenacidade são fatores integrais no projeto e nas aplicações. Alterar a estrutura do material pode efetivamente melhorar essas propriedades e fornecer soluções personalizadas para diversas aplicações. Ao ajustar a estrutura dos materiais cristalinos e amorfos, os engenheiros podem aumentar a sua resistência ao escoamento, ductilidade e tenacidade, de acordo com uma nova pesquisa.
A melhoria da resistência pode ser alcançada através de uma variedade de mecanismos, como o fortalecimento da solução sólida, o endurecimento por precipitação e o fortalecimento dos limites dos grãos.
As características do aço são formadas principalmente pela solução sólida intersticial de carbono na estrutura do ferro, melhorando assim suas propriedades mecânicas. O latão, uma liga de cobre e zinco, apresenta melhores propriedades mecânicas do que os seus metais constituintes devido ao seu reforço em solução sólida. Mudanças no processo, como forjar metal em brasa, são um método antigo e eficaz para artesãos de ferro preto. Esse endurecimento por trabalho pode introduzir deslocamentos e aumentar ainda mais a resistência ao escoamento do material.
Mecanismo de reforço de material
Atualmente existem cinco mecanismos de reforço de materiais conhecidos. Esses mecanismos têm como objetivo impedir o movimento das discordâncias, aumentando assim a resistência do material. O obstáculo ao movimento de discordância ajuda a aumentar a capacidade do material de resistir à deformação. Esses mecanismos incluem:
.Endurecimento por Trabalho
As luxações são a principal causa do endurecimento pelo trabalho. Quando um grande número de discordâncias aparece na superfície de um material, elas irão interagir entre si para gerar um campo de tensão, que por sua vez dificulta o movimento das discordâncias. Neste caso, a relação entre a densidade de discordâncias e a resistência ao cisalhamento é muito próxima, de modo que o encruamento se reflete em um aumento na densidade de discordâncias.
Reforço e liga de solução sólida
O fortalecimento da solução sólida é obtido pela adição de átomos de soluto de um elemento a outro material. Esses átomos podem causar deformação da rede cristalina e, assim, dificultar o movimento das discordâncias. Quanto maior a concentração de soluto, maior o limite de escoamento do material, mas ao mesmo tempo há um limite para o seu efeito de fortalecimento.
Endurecimento por precipitação
Na maioria dos sistemas binários, o excesso de liga leva à formação de uma segunda fase. Esses precipitados de segunda fase atuam como átomos de soluto em solução sólida e dificultam o movimento de deslocamento.
Reforço disperso
Semelhante ao endurecimento por precipitação, o endurecimento por dispersão utiliza precipitados incoerentes para atrair e fixar discordâncias. Este método é particularmente eficaz em altas temperaturas e pode ser usado para criar materiais de alta resistência.
Reforço dos limites de grãos
Em metais policristalinos, o tamanho do grão tem um enorme impacto nas propriedades mecânicas. Os limites dos grãos impedem o movimento das discordâncias, de modo que a resistência ao escoamento do material aumenta à medida que o tamanho do grão diminui.
Mecanismo de fortalecimento de materiais amorfos
Para materiais amorfos, como polímeros e cerâmicas, os métodos de reforço são bastante diferentes daqueles para metais. O fortalecimento desses materiais depende principalmente de mudanças na estrutura química e na forma como são processados.
A melhoria da resistência dos polímeros vem principalmente do aumento nas ligações cruzadas entre as cadeias. Essa reticulação torna o material mais rígido e resistente a fissuras.
Por exemplo, em polímeros termofixos, pontes dissulfeto e outras ligações cruzadas covalentes permitem manter uma boa estabilidade estrutural em altas temperaturas. Portanto, o fortalecimento de vários polímeros pode ser realizado através da introdução de fibras, partículas e outras substâncias adicionadas.
Desafios e oportunidades
No entanto, melhorar a resistência do material não vem sem um preço. Cada mecanismo de fortalecimento pode afetar outras propriedades físicas e químicas. Além disso, a resistência de um material não pode ser aumentada indefinidamente e o reforço excessivo pode levar a uma diminuição de certas propriedades, tais como tenacidade ou ductilidade. Portanto, os engenheiros devem considerar melhorias de resistência ao mesmo tempo em que levam em conta outras características de desempenho exigidas ao projetar materiais.
Com o avanço contínuo da ciência e da tecnologia, a compreensão das propriedades dos materiais está se aprofundando cada vez mais, e materiais com alta resistência e boa ductilidade podem aparecer no futuro. Conseguir encontrar o melhor equilíbrio entre resistência e outras propriedades será um grande desafio e uma oportunidade para o desenvolvimento da ciência dos materiais no futuro.
