Sob impactos extremos, metais ficam mais resistentes quando aquecidos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 28/05/2024

As 3 partículas atingem a superfície metálica com aproximadamente a mesma velocidade. À medida que a temperatura inicial do metal aumenta, o rebote é mais rápido e a partícula salta mais alto porque o metal também se torna mais duro - e não mais macio.
[Imagem: Ian Dowding et al. - 10.1038/s41586-024-07420-1]

Impactos extremos

Os metais ficam mais macios quando são aquecidos, e é por isso que os ferreiros esquentam o ferro para criar objetos com formas complexas. E qualquer pessoa que compare um fio de cobre com um fio de aço de mesma espessura perceberá rapidamente que o cobre é muito mais flexível do que o aço.

Mas cientistas descobriram agora que, quando o metal é atingido por um objeto que se move a uma velocidade muito alta, acontece o oposto: Quanto mais quente o metal, mais forte ele é. Nessas condições, que colocam pressão extrema sobre o metal, o cobre pode ser tão forte quanto o aço.

Esses resultados inesperados, que contestam décadas de estudos em condições menos extremas, deverão afetar uma variedade de aplicações porque velocidades extremas envolvidas em impactos ocorrem rotineiramente quando meteoritos se chocam em espaçonaves em órbita, quando aviões hipersônicos precisam vencer as partículas na atmosfera, em operações de usinagem de alta velocidade, no jateamento de areia e até em alguns processos de fabricação aditiva (impressão 3D).

Além disso, metais que normalmente podem ser muito mais fracos, mas que são mais baratos ou mais fáceis de processar, podem ser úteis em situações onde ninguém teria pensado em usá-los antes.

"Se você estiver pilotando um helicóptero durante uma tempestade de areia, muitas dessas partículas de areia atingirão altas velocidades ao atingirem as pás, e em condições desérticas elas podem atingir altas temperaturas, onde esses efeitos de endurecimento entram em ação," exemplificou o professor Ian Dowding, do MIT, nos EUA.

Detalhes das medições.
[Imagem: Ian Dowding et al. - 10.1038/s41586-024-07420-1]

Resistência aumenta com calor

A descoberta foi possível graças a um aprimoramento da técnica para estudar os impactos de partículas em alta velocidade sobre metais e ligas. Até agora, os pesquisadores sempre usaram projéteis maiores, na escala de centímetros ou mais. Como estes impactos maiores são dominados pelos efeitos do choque do impacto, não era possível separar os efeitos mecânicos e térmicos.

Dowding e seu colega Christopher Schuh tiveram então a ideia de atirar minúsculas partículas de óxido de alumínio (Al₂O₃, também conhecido como safira), com apenas milionésimos de metro de diâmetro, sobre folhas planas de metal. Quando essas partículas são atingidas por um forte feixe de laser, parte delas vaporiza, criando um jato de vapor que impulsiona a partícula na direção oposta. Assim impulsionadas pelo laser, as partículas atingiram altas velocidades, da ordem de algumas centenas de metros por segundo.

As minúsculas partículas não criam uma onda de pressão significativa quando atingem o alvo, mas câmeras de alta velocidade permitiram observar em detalhes as partículas ricocheteando na superfície. A diferença entre as velocidades de entrada e de saída de cada partícula mostra quanta energia foi depositada no alvo metálico, o que é um indicador de sua resistência.

A surpresa foi que, quanto mais calor as partículas geravam no impacto, maior se tornava a resistência dos metais. Os pesquisadores dispararam as partículas em amostras de cobre, titânio e ouro, e esperam que seus resultados também se apliquem a outros metais. Eles afirmam que seus dados fornecem a primeira evidência experimental direta desse efeito térmico anômalo de aumento de resistência com maior calor, embora indícios de tal efeito já tenham sido relatados antes.

É claro que, em algum momento, o aumento da temperatura começará a derreter o metal e, nesse ponto, o efeito será revertido novamente e levará ao amolecimento do metal. Mas os experimentos realizados pela equipe não permitiram definir qual é esse ponto.

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