Um novo tempo para o titânio (1)

Entre os metais, a resistência e a leveza do titânio, a resistência à corrosão e a capacidade de suportar temperaturas extremas distinguem há muito tempo o seu valor, especialmente para aplicações sensíveis ao peso e ao ambiente. Quando foi descrito pela primeira vez no final do século 18, um co-descobridor nomeou o metal em homenagem aos Titãs - deuses nascidos da Terra e do céu na mitologia grega antiga.

O tempo apenas apagou o brilho do titânio. "Sou um cientista de materiais e às vezes as pessoas me perguntam: 'Qual é o seu elemento favorito?'", Diz Andrew Minor, professor de ciência e engenharia de materiais. Para edifícios, aviões, mísseis, naves espaciais e muito mais, ele diz: "Se você quiser o material mais forte com o menor peso, é o titânio. Se pudéssemos, faríamos tudo em titânio."

Na verdade, para os designers industriais, a perspectiva de carros, camiões e aviões fortes, leves e altamente eficientes em termos de combustível, por exemplo, ou navios de carga super-resistentes à corrosão, o titânio deve ser a matéria dos sonhos.

O problema? “É muito caro”, diz Minor sobre o titânio de nível industrial ou ligas de titânio que poderiam substituir o aço quando apenas os materiais mais fortes e duráveis ​​seriam suficientes. O custo de fabricação do titânio é cerca de seis vezes maior que o do aço inoxidável. Como resultado, seus usos permaneceram limitados a peças especiais para a indústria aeroespacial, itens de alta qualidade, como joias, ou outras aplicações de nicho.

Além do mais, o titânio puro tem resistência apenas moderada, explica Minor. Pode ser reforçado com elementos como oxigênio, alumínio, molibdênio, vanádio e zircônio; no entanto, isso geralmente ocorre às custas da ductilidade - a capacidade do metal de ser estirado ou deformado sem fraturar.

Agora, após uma década de pesquisa, uma nova era para o titânio, incluindo aplicações de engenharia bastante expandidas, pode estar se aproximando, graças a Minor e seus colegas de Berkeley, incluindo Mark Asta, Daryl Chrzan e JW Morris Jr., também professores do Departamento. de Ciência e Engenharia de Materiais. Eles têm sondado e estimulado o titânio de diversas maneiras, na esperança de expandir seu uso prático para uma variedade de aplicações estruturais ou de engenharia.

Em vez disso, o que impulsiona o custo excessivo do titânio de qualidade comercial, explica Minor, é o complexo processo Kroll mais frequentemente usado para fabricar barras de titânio, lingotes e outras formas de metal que podem ser transformadas em peças utilizáveis ​​e outros produtos. O processo inclui o uso de materiais caros, como gás argônio, e consome muita energia, exigindo múltiplas fusões em temperaturas extremamente altas, especialmente para controlar impurezas de oxigênio.

Na verdade, o titânio e o oxigénio têm uma relação intrigante, que Minor, Asta, Chrzan, Morris e colegas queriam compreender melhor. A equipe sabia que uma impureza de oxigênio é frequentemente usada em ligas de titânio para aproveitar um potente efeito de fortalecimento. O titânio produzido com apenas um pequeno aumento na quantidade de oxigênio atômico pode resultar em um metal com um aumento de várias vezes na resistência.

Infelizmente, o oxigênio também pode produzir uma diminuição ainda maior na ductilidade do metal. Torna-se frágil e irá fraturar e quebrar.

Mas “o oxigênio está em toda parte”, diz Minor sobre a dificuldade de manobrar em torno da alta capacidade de resposta do titânio ao oxigênio. "Não é uma impureza vinda do material de origem que você pode simplesmente evitar."

Ele caracteriza a sensibilidade do titânio ao oxigênio como extrema. “É realmente estranho o quão poderoso isso é”, diz Minor. Ele exerce efeitos sobre o metal, tanto bons quanto ruins, enquanto a presença de quantidades semelhantes de oxigênio é insignificante para metais como alumínio e aço porque pode ser tratada no processamento com muito mais facilidade.

Para saber mais, a equipe recorreu à computação de alto desempenho para modelar o processo de deformação do titânio sob estresse e com diferentes quantidades de oxigênio. Os modelos de computador, diz Asta, são um “poderoso conjunto de ferramentas que nos permite investigar este grande desafio na metalurgia do titânio”.

Das principais descobertas da equipe, um embaralhamento dos átomos de oxigênio na estrutura cristalina do titânio quando o metal está sob estresse tornou-se a chave para a compreensão da perda de ductilidade. Num estado não estressado, as moléculas de oxigênio residem sem incidentes nas lacunas naturais entre os átomos de titânio. Mas sob forças mecânicas, os átomos de oxigénio podem deslocar-se para espaços adjacentes, onde proporcionam menos resistência a deslocações que, se se espalharem, enfraquecem o metal.

“O oxigênio promove uma fraqueza estrutural”, diz Minor. À medida que as forças mecânicas deformam o metal, os átomos de oxigénio deslocados, em vez de bloquearem a propagação de defeitos estruturais, podem facilitar o chamado deslizamento planar.

Um deslizamento planar, diz Asta, é como uma onda de defeitos na estrutura cristalina do metal que se constroem uns sobre os outros, eventualmente levando a fraturas, rachaduras e um pedaço de metal quebradiço.

Para entender como um deslocamento pode se formar e se espalhar no titânio, Chrzan sugere visualizar a tentativa de mover um tapete grande e pesado.

“Um tapete muito grande pode ser pego por uma das pontas e arrastado pelo chão para uma nova posição”, diz ele. Mas outra maneira de mover o tapete é criar uma ondulação em uma extremidade e então, arrastando os pés pela parte superior do tapete, você pode "caminhar" na ondulação até a outra extremidade. Desde que nada bloqueie o seu movimento, todo o tapete terá sido deslocado por uma distância igual à largura da ondulação.

Essas “ondulações” no titânio podem ser vistas com microscopia eletrônica. “Você pode ver que todos os deslocamentos estão alinhados, em fileiras”, diz Minor. "E isso é ruim para a ductilidade porque se eles se alinharem e apenas seguirem um ao outro, eles não ficam emaranhados [e assim parados] de tal forma que o metal não endurece. Você obtém uma concentração de tensão, e é aí que você obtém uma rachadura."

(Continua)