Físico investiga as causas da vida

11 de novembro de 2022

pelo Laboratório Nacional Lawrence Livermore

"Dwell Fadiga" é um fenômeno que pode ocorrer em ligas de titânio quando mantidas sob estresse, como o fan disc de um motor a jato durante a decolagem. Esse modo de falha peculiar pode iniciar trincas microscópicas que reduzem drasticamente a vida útil de um componente.

Acreditava-se que a liga de titânio mais amplamente utilizada, Ti-6Al-4V, não apresentava fadiga antes do incidente do voo 066 da Air France em 2017, no qual um Airbus em rota de Paris para Los Angeles sofreu uma falha no fan disc sobre a Groenlândia que forçou uma emergência pousar. A análise desse incidente e várias preocupações mais recentes levaram a Federal Aviation Administration e a European Union Aviation Safety Agency a coordenar o trabalho em toda a indústria aeroespacial para determinar as causas principais da fadiga durante a permanência.

De acordo com especialistas, os metais se deformam predominantemente por meio de deslizamento de deslocamento - o movimento de defeitos de linha na rede cristalina subjacente. Os pesquisadores sustentam que a fadiga de permanência pode iniciar quando o deslizamento é restrito a bandas estreitas, em vez de ocorrer de forma mais homogênea em três dimensões. A presença de precipitados intermetálicos de Ti3Al em escala nanométrica promove a formação de bandas, particularmente quando as condições de processamento permitem sua ordenação de longo alcance.

As coisas ficam complicadas quando esse comportamento de bandas ocorre em um grupo contíguo de grãos orientados 'suaves', chamados de "macrozona", explicaram os pesquisadores. A concentração de deformação resultante, onde a banda encontra um grão orientado "duro" fora da macrozona, leva a uma concentração de tensão, iniciando o processo de trinca.

Para complicar ainda mais as coisas, o deslizamento de discordância ocorre intermitentemente em rajadas ou "avalanches", semelhante a como pequenos eventos de deslizamento de falha podem iniciar terremotos mais significativos. A magnitude e a frequência dessas avalanches de deslizamento influenciam fortemente o início da fadiga de permanência.

Em um estudo recente de uma equipe multinacional, incluindo atuais e ex-cientistas do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), os pesquisadores usaram raios-X síncrotron para rastrear eventos discretos de avalanche de deslizamento em titânio mantido sob carga à temperatura ambiente.

Uma equipe do Imperial College London forneceu espécimes de Ti-7Al especialmente preparado, uma liga que representa um substituto para a fase primária em Ti-6Al-4V. As populações de tipos de defeitos de dois pontos foram moduladas entre os espécimes: conteúdo de oxigênio intersticial e a quantidade de precipitados ordenados de Ti3Al.

O estudo, publicado na Nature Communications, mostra que onde o Ti3Al exibe ordenação, as avalanches de deslizamento são mais severas na magnitude do estresse associado. Em contraste, aumentar a quantidade de oxigênio intersticial parece reduzir a gravidade, promovendo avalanches menores mais frequentes.

"Este trabalho oferece uma nova visão em mesoescala dos eventos de deformação intermitentes (pequenas "explosões" de deslizamento de plástico) subjacentes à fadiga permanente, especificamente como a frequência e a magnitude desses eventos dependem do teor de oxigênio e da liga", disse o co-autor e LLNL físico Joel Bernier. “Esses dados podem ajudar a orientar o processamento para evitar microestruturas que tenham um efeito deletério na resistência à fadiga prolongada”.

Bernier ajudou a executar medições de microscopia de difração de raios X de alta energia na Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS) e realizou a redução de dados usando a biblioteca de software HEXRD desenvolvida pela LLNL. A equipe quantificou a frequência e a magnitude das explosões de tensão resultantes das avalanches de deslizamento e descobriu que ambos os tipos de defeitos pontuais tiveram efeitos pronunciados no deslizamento que ocorre nos planos basais da rede cristalina.

Os pesquisadores descobriram que esse mecanismo de deformação torna-se mais fácil de ativar após o escoamento inicial, um amolecimento conhecido por ser um precursor do acúmulo de danos e falha em casos de fadiga contínua. Entre as principais descobertas: maior concentração de intersticiais de oxigênio reduziu a magnitude média das avalanches de deslizamento basal, promovendo eventos de menor magnitude mais frequentes.