Sob impactos extremos, metais ficam mais resistentes quando aquecidos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 28/05/2024

As 3 part�culas atingem a superf�cie met�lica com aproximadamente a mesma velocidade. � medida que a temperatura inicial do metal aumenta, o rebote � mais r�pido e a part�cula salta mais alto porque o metal tamb�m se torna mais duro - e n�o mais macio.
[Imagem: Ian Dowding et al. - 10.1038/s41586-024-07420-1]

Impactos extremos

Os metais ficam mais macios quando s�o aquecidos, e � 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 a�o de mesma espessura perceber� rapidamente que o cobre � muito mais flex�vel do que o a�o.

Mas cientistas descobriram agora que, quando o metal � atingido por um objeto que se move a uma velocidade muito alta, acontece o oposto: Quanto mais quente o metal, mais forte ele �. Nessas condi��es, que colocam press�o extrema sobre o metal, o cobre pode ser t�o forte quanto o a�o.

Esses resultados inesperados, que contestam d�cadas de estudos em condi��es menos extremas, dever�o afetar uma variedade de aplica��es porque velocidades extremas envolvidas em impactos ocorrem rotineiramente quando meteoritos se chocam em espa�onaves em �rbita, quando avi�es hipers�nicos precisam vencer as part�culas na atmosfera, em opera��es de usinagem de alta velocidade, no jateamento de areia e at� em alguns processos de fabrica��o aditiva (impress�o 3D).

Al�m disso, metais que normalmente podem ser muito mais fracos, mas que s�o mais baratos ou mais f�ceis de processar, podem ser �teis em situa��es onde ningu�m teria pensado em us�-los antes.

"Se voc� estiver pilotando um helic�ptero durante uma tempestade de areia, muitas dessas part�culas de areia atingir�o altas velocidades ao atingirem as p�s, e em condi��es des�rticas elas podem atingir altas temperaturas, onde esses efeitos de endurecimento entram em a��o," exemplificou o professor Ian Dowding, do MIT, nos EUA.

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

Resist�ncia aumenta com calor

A descoberta foi poss�vel gra�as a um aprimoramento da t�cnica para estudar os impactos de part�culas em alta velocidade sobre metais e ligas. At� agora, os pesquisadores sempre usaram proj�teis maiores, na escala de cent�metros ou mais. Como estes impactos maiores s�o dominados pelos efeitos do choque do impacto, n�o era poss�vel separar os efeitos mec�nicos e t�rmicos.

Dowding e seu colega Christopher Schuh tiveram ent�o a ideia de atirar min�sculas part�culas de �xido de alum�nio (Al₂O₃, tamb�m conhecido como safira), com apenas milion�simos de metro de di�metro, sobre folhas planas de metal. Quando essas part�culas s�o atingidas por um forte feixe de laser, parte delas vaporiza, criando um jato de vapor que impulsiona a part�cula na dire��o oposta. Assim impulsionadas pelo laser, as part�culas atingiram altas velocidades, da ordem de algumas centenas de metros por segundo.

As min�sculas part�culas n�o criam uma onda de press�o significativa quando atingem o alvo, mas c�meras de alta velocidade permitiram observar em detalhes as part�culas ricocheteando na superf�cie. A diferen�a entre as velocidades de entrada e de sa�da de cada part�cula mostra quanta energia foi depositada no alvo met�lico, o que � um indicador de sua resist�ncia.

A surpresa foi que, quanto mais calor as part�culas geravam no impacto, maior se tornava a resist�ncia dos metais. Os pesquisadores dispararam as part�culas em amostras de cobre, tit�nio e ouro, e esperam que seus resultados tamb�m se apliquem a outros metais. Eles afirmam que seus dados fornecem a primeira evid�ncia experimental direta desse efeito t�rmico an�malo de aumento de resist�ncia com maior calor, embora ind�cios de tal efeito j� tenham sido relatados antes.

� claro que, em algum momento, o aumento da temperatura come�ar� a derreter o metal e, nesse ponto, o efeito ser� revertido novamente e levar� ao amolecimento do metal. Mas os experimentos realizados pela equipe n�o permitiram definir qual � esse ponto.

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