Pesquisadores do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais do Granger College of Engineering identificaram o primeiro mecanismo físico que explica como os campos magnéticos retardam o movimento dos átomos de carbono através do ferro.
Publicado em Carta de revisão físicaO trabalho lança nova luz sobre como o carbono afeta a estrutura interna dos grãos do aço, um fator chave na sua resistência e desempenho.
Por que o processamento do aço consome tanta energia?
O aço, feito de uma combinação de ferro e carbono, é um dos materiais de construção mais utilizados no mundo. Sua estrutura interna requer temperaturas extremamente altas para se formar, razão pela qual a produção de aço consome tanta energia. Décadas atrás, os cientistas notaram que alguns aços tinham melhor desempenho quando tratados termicamente na presença de um campo magnético, mas na época as explicações eram em grande parte teóricas. Sem uma compreensão física clara, os engenheiros não tinham uma forma confiável de prever ou controlar o efeito.
“Explicações anteriores para esse comportamento eram, na melhor das hipóteses, anedóticas”, disse Dallas Trinkle, Ivan Rasheff Professor de Ciência e Engenharia de Materiais e autor sênior do artigo. “Quando você está projetando um elemento, você precisa ser capaz de dizer: ‘Se eu adicionar este elemento, é assim que (o elemento) mudará.’ E não entendíamos como isso estava acontecendo; Não havia nada de profético nisso.”
Para resolver esta questão de longa data, Trinkle aplicou sua experiência em modelagem de difusão como parte de uma equipe de pesquisa apoiada pelo Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável do Departamento de Energia dos EUA. Nas ligas de ferro-carbono, como o aço, os átomos de carbono ocupam a pequena “gaiola” octaédrica formada pelos átomos de ferro circundantes. Ao simular como os átomos de carbono se movem de uma gaiola para outra, a equipe conseguiu identificar que os campos magnéticos retardam esse movimento.
Simulação de magnetismo e movimento nuclear
Usando um método computacional conhecido como média de spin-espaço, Trinkle executou simulações que levaram em conta a temperatura e os campos magnéticos. Essas simulações rastreiam como os spins magnéticos dos átomos de ferro se alinham sob diferentes condições. Quando os pólos norte e sul de um átomo de ferro se alinham, o átomo torna-se ferromagnético e fortemente magnetizado. Quando não estão alinhados, os átomos são paramagnéticos e apenas fracamente magnetizados.
Os resultados mostram que as rotações alinhadas aumentam a barreira de energia que os átomos de carbono devem superar para se moverem entre as gaiolas. À medida que a ordem magnética aumenta, a difusão do carbono diminui, fornecendo uma explicação física clara para o efeito observado há muito tempo.
“É necessário um campo muito forte para alterar os momentos magnéticos”, disse Trinkle. “Se você estiver próximo da temperatura de Curie, o campo magnético terá um efeito mais forte… Quando os giros são mais aleatórios, o octaedro (gaiola) na verdade se torna mais isotrópico: a coisa toda se abre e tem mais espaço para se mover.”
Implicações para tornar o aço mais limpo e inteligente
Trinkle acredita que as descobertas podem ajudar a reduzir a energia necessária para processar o aço, reduzir os custos de produção e reduzir o CO2 Além do aço dúctil, os mesmos princípios podem ser aplicados a outros materiais, permitindo aos cientistas prever quantitativamente como os campos magnéticos afetam a expansão nuclear de forma mais ampla.
“Queríamos ser capazes de fazer cálculos reais; não apenas qualitativamente, mas quantitativamente, para mostrar o campo efetivo e a temperatura. Agora que temos essas informações, podemos começar a pensar mais sobre ligas de engenharia. Pode ser escolher ligas que já existem ou até mesmo pensar em ligas químicas que ainda não estamos usando, o que poderia ser muito vantajoso.”
Dallas Trinkle é professor do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Illinois Granger Engineering e é afiliado ao Laboratório de Pesquisa de Materiais. Ele ocupa o cargo de professor Ivan Rasheff.
