Pesquisadores do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Escola de Engenharia Grainger descobriram o primeiro mecanismo físico que explica como os campos magnéticos retardam o movimento dos átomos de carbono no ferro.
Postado em Cartas de revisão físicaeste trabalho lança uma 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
Feito de ferro e carbono, o aço é um dos materiais de construção mais utilizados no mundo. Moldar sua estrutura interna requer temperaturas extremamente altas, razão pela qual a produção de aço consome tanta energia. Décadas atrás, os cientistas observaram que certos aços tinham melhor desempenho quando tratados termicamente na presença de um campo magnético, mas a explicação na época era em grande parte teórica. Sem uma compreensão física clara, os engenheiros não têm uma forma confiável de prever ou controlar os efeitos.
“Explicações anteriores para esse comportamento foram, na melhor das hipóteses, fenomenológicas”, disse Dallas Trinkel, professor Ivan Rachev de Ciência e Engenharia de Materiais e autor sênior do artigo. “Quando você projeta um material, você precisa ser capaz de dizer: ‘Se eu adicionar este elemento, (o material) mudará assim.’ Não sabemos como isso acontece; não há previsão disso.”
Para resolver esse problema de longa data, Trinkle aplicou sua experiência em modelagem de dispersão como parte de uma equipe de pesquisa apoiada pelo Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável do Departamento de Energia dos EUA. Em ligas de ferro-carbono, como o aço, os átomos de carbono ocupam pequenas “gaiolas” octaédricas formadas pelos átomos de ferro circundantes. Ao simular como os átomos de carbono se movem de uma gaiola para outra, a equipe conseguiu identificar o que fez com que o campo magnético retardasse esse movimento.
Simular magnetismo e movimento atômico
Trinkle realizou simulações que levaram em consideração a temperatura e os campos magnéticos, usando um método computacional chamado média de spin-espaço. As simulações rastrearam como os spins magnéticos dos átomos de ferro se alinhavam sob diferentes condições. Quando os pólos norte e sul dos átomos de ferro se alinham, os átomos tornam-se ferromagnéticos e fortemente magnetizados. Quando estão desalinhados, os átomos são paramagnéticos e apenas fracamente magnetizados.
Os resultados mostram que os spins alinhados aumentam a barreira energética que os átomos de carbono devem superar para se moverem entre as gaiolas. A difusão do carbono diminui à medida que a ordem magnética aumenta, fornecendo uma explicação física clara para o efeito observado a longo prazo.
“Campos magnéticos extremamente fortes são necessários para mudar os momentos magnéticos”, disse Trinkel. “Se você se aproximar da temperatura de Curie, o campo magnético terá um efeito forte… Quando o giro é mais aleatório, o octaedro (gaiola) na verdade se torna mais isotrópico: a coisa toda se abre e tem mais espaço para se mover.”
Impacto na produção de aço limpa e inteligente
Trinkle acredita que as descobertas podem ajudar a reduzir a energia necessária para processar o aço, diminuir os custos de produção e reduzir as emissões de CO22 emissão. Os mesmos princípios podem ser aplicados a outros materiais além do aço, permitindo aos cientistas prever quantitativamente como os campos magnéticos afetam a difusão atômica de forma mais ampla.
“Queremos ser capazes de fazer cálculos reais; mostrar os campos e temperaturas efetivos não apenas qualitativamente, mas quantitativamente. Agora que temos essas informações, podemos começar a pensar mais sobre ligas de engenharia. Poderia ser muito vantajoso escolher ligas que já existem ou até mesmo considerar ligas químicas que ainda não usamos.”
Dallas Trinkle é professor do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Grainger College of Engineering em Illinois, afiliado ao Laboratório de Pesquisa de Materiais. Ele ocupa a cátedra Ivan Rachev.
