Pesquisadores do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Granger College of Engineering descobriram o primeiro mecanismo físico que explica como os campos magnéticos retardam o movimento dos átomos de carbono através do ferro.
Publicado em Revisão de planilhas físicasO 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
O aço, feito de uma combinação de ferro e carbono, é um dos materiais de construção mais utilizados no mundo. A formação de sua estrutura interna exige temperaturas muito elevadas, por isso a produção do aço consome tanta energia. Há algumas décadas, os cientistas notaram que alguns aços tinham melhor desempenho quando tratados termicamente na presença de um campo magnético, mas as explicações da época eram principalmente teóricas. Sem uma compreensão física precisa, os engenheiros não tinham uma forma confiável de prever ou controlar o efeito.
“Explicações anteriores para esse comportamento foram, na melhor das hipóteses, fenomenológicas”, disse Dallas Trinkle, Ivan Raceff Professor de Ciência e Engenharia de Materiais e autor sênior do artigo. “Quando você está projetando um material, você precisa ser capaz de dizer: ‘Se eu adicionar este elemento, é assim que (o material) mudará.’ E não entendemos como isso acontece; não havia nada previsível 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 e carbono, como o aço, os átomos de carbono ocupam pequenas “células” octogonais formadas pelos átomos de ferro circundantes. Ao modelar como os átomos de carbono se movem de uma célula para outra, a equipe conseguiu identificar o que faz com que os campos magnéticos retardem esse movimento.
Simulação de magnetismo e movimento atômico
Usando uma abordagem computacional conhecida como média de spin-espaço, Trinkle executou simulações que levaram em consideração a temperatura e os campos magnéticos. Esta simulação rastreou como os spins magnéticos dos átomos de ferro se alinham sob diferentes condições. Quando os pólos norte e sul de um átomo de ferro coincidem, o átomo torna-se ferromagnético e fortemente magnetizado. Se eles não se alinharem, o átomo é paramagnético e apenas fracamente magnetizado.
Os resultados mostraram que os spins alinhados aumentam a barreira energética que os átomos de carbono devem superar para se moverem entre as células. 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 extremamente forte para mudar os momentos magnéticos”, disse Trinkle. “Quando você está perto da temperatura Curie, o campo magnético tem um efeito forte… Quando os spins são mais aleatórios, o octaedro (célula) na verdade se torna mais isotrópico: a coisa toda se abre e tem mais espaço para se mover.”
Implicações para uma produção de aço mais limpa e inteligente
Trinkle acredita que essas descobertas podem ajudar a reduzir a energia necessária para processar o aço, diminuir os custos de produção e reduzir o CO22 descartados Além do aço, os mesmos princípios podem ser aplicados a outros materiais, permitindo aos cientistas prever quantitativamente como os campos magnéticos afetam a difusão atômica de forma mais ampla.
“Queríamos ser capazes de fazer cálculos do mundo real; mostrar não apenas o campo e a temperatura efetivos qualitativos, mas também quantitativos. Agora que temos essas informações, podemos começar a pensar mais sobre ligas de engenharia. Talvez escolher ligas que já existem, ou mesmo pensar na composição química de ligas que ainda não usamos, possa ser extremamente benéfico.”
Dallas Trinkle é professor do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Illinois Grainger Engineering e é afiliado ao Laboratório de Pesquisa de Materiais. Ele detém o título de Professor Ivan Rochef.
