Evolução microestrutural e caracterização mecânica de uma sanita

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 9822 (2022) Citar este artigo

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Ligas de alta entropia (HEAs) são uma classe relativamente nova de material que mostrou potencial para exibir excelentes combinações de propriedades mecânicas. Várias modificações microestruturais foram exploradas para melhorar ainda mais suas propriedades mecânicas para uso em aplicações estruturais exigentes. O foco principal do presente trabalho é uma investigação do efeito da adição de quantidades variáveis ​​de material cerâmico duro (WC) a uma matriz HEA tenaz (CoCrFeNi) por fusão a arco sob atmosfera de argônio, incluindo alterações microestruturais, e avaliação das adições de WC. nas propriedades mecânicas. A análise de difração de raios X dos compósitos HEA-WC mostrou a presença das fases CFC e carboneto. Investigações de microscópio eletrônico de varredura, incluindo espectroscopia de energia dispersiva, revelam que o cromo se difunde da matriz e interage com o WC para formar uma fase de carboneto ligado. Descobriu-se que a quantidade de carboneto ligado aumenta com o aumento da quantidade de adição de WC à matriz HEA. A caracterização mecânica revelou que a dureza e o limite de escoamento dos compósitos HEA-WC aumentam com o aumento da quantidade da fase de carboneto na matriz. A dureza da amostra HEA-20% em peso de WC foi considerada tão alta quanto 3,3 vezes (593 HV) a dureza da base HEA (180 HV), enquanto a resistência ao escoamento aumentou de 278 MPa para a base HEA para 1098 MPa para o compósito CoCrFeNi-20% em peso de WC. Os compósitos investigados também apresentaram excelentes valores de ductilidade (~ 50% de deformação para CoCrFeNi-10% em peso de WC e ~ 20% de deformação para CoCrFeNi-20% em peso de WC). Acredita-se, portanto, que os compósitos de matriz de alta entropia reforçados com cerâmica têm o potencial de fornecer excelentes combinações de propriedades mecânicas para aplicações estruturais exigentes.

Resistência e tenacidade são as duas principais propriedades exigidas em materiais estruturais para resistência segura a cargas elevadas. Aumentos na resistência, entretanto, são em muitos materiais inevitavelmente acompanhados por algum sacrifício na ductilidade, com uma correspondente perda de tenacidade. Foi relatado que o refinamento de grãos de Ni metálico de granulação grossa em nanoescala, por exemplo, leva a um aumento na resistência ao escoamento de apenas 53 MPa para 1,3 GPa, mas ao custo de uma diminuição severa na ductilidade (para <5%) 1. Várias tentativas diferentes foram feitas para superar esse compromisso entre resistência e ductilidade. Algumas abordagens notáveis ​​​​que foram tentadas a esse respeito incluem o desenvolvimento de nanoestruturas heterogêneas2 ou microestruturas hierárquicas3,4, o uso de fortalecimento por nanoprecipitação5, austêmpera6 e esferoidização7, bem como design de liga para encorajar a plasticidade induzida por transformação (TRIP)8 ou geminação plasticidade induzida (TWIP)9,10. No entanto, a relação entre resistência e ductilidade continua a ser uma questão pendente e parece cada vez mais que as propriedades mecânicas das ligas convencionais estão a aproximar-se dos seus limites de capacidade.

As ligas de alta entropia (HEAs) formam uma classe relativamente nova de material que se baseia na presença simultânea de quatro, cinco ou mais elementos em quantidades iguais . HEAs são caracterizados pela presença de quatro efeitos característicos, nomeadamente entropia configuracional, distorção severa da rede, difusão lenta e efeito coquetel . Esses efeitos são considerados responsáveis ​​por melhores combinações de propriedades em comparação com ligas convencionais, incluindo excelente estabilidade térmica, resistência à corrosão e resistência à fadiga, bem como alongamento superplástico e melhores propriedades mecânicas mesmo em temperaturas criogênicas12,15,16,17, 18,19,20,21,22,23,24,25,26. HEAs também mostraram potencial para exibir combinações aprimoradas de resistência e ductilidade. Excelente ductilidade pode ser alcançada em HEAs CFC, embora com resistência limitada, enquanto alta resistência, mas ductilidade limitada, foi relatada para HEAs CCC. Diferentes tentativas foram realizadas, portanto, para melhorar ainda mais as combinações resistência-ductilidade em HEAs por meio do projeto de HEAs contendo ambas as fases de solução sólida CFC e CCO, onde alguns resultados promissores já foram alcançados27,28,29. O desenvolvimento de HEAs fortalecidos por soluções sólidas intersticiais também foi explorado. Foi relatado que a adição de átomos de nitrogênio30, oxigênio31 e carbono32,33 em uma matriz HEA melhora a resistência, mas às custas de ductilidade limitada. HEAs utilizando o efeito TRIP também foram desenvolvidos na busca por melhores combinações de propriedades mecânicas8,34,35. Em alguns casos, foi relatado que a transformação de fases metaestáveis ​​sob estresse melhora a capacidade de resistir à fratura, no entanto, atualmente, apenas alguns sistemas demonstraram exibir bons resultados nesse sentido8,34. O desenvolvimento de uma fina camada deformada e de um núcleo não deformado, conectado por uma microestrutura hierárquica gradiente em um HEA também demonstrou melhorar a ductilidade, mas com apenas um pequeno aumento correspondente na resistência. Além disso, HEAs eutéticos, constituídos por lamelas finas de fases duras e moles , também foram desenvolvidos empregando diferentes estratégias de design de ligas. O uso de tais microestruturas eutéticas em HEAs tem mostrado resultados promissores. O projeto e controle de microestruturas eutéticas em HEAs é, no entanto, uma tarefa extremamente difícil, devido à presença simultânea de múltiplos elementos.