O segredo magnético dentro do aço finalmente explicado

Publicado em Cartas de revisão físicao 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 utiliza tanta energia

O aço, feito da combinação de ferro e carbono, 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 alguns aços tinham melhor desempenho quando tratados termicamente na presença de um campo magnético, mas as explicações da época eram em grande parte teóricas. Sem uma compreensão física clara, os engenheiros não tinham uma forma confiável de prever ou controlar o efeito.

“As explicações anteriores para esse comportamento eram, na melhor das hipóteses, fenomenológicas”, disse Dallas Trinkle, professor Ivan Racheff de Ciência e Engenharia de Materiais e autor sênior do artigo. “Ao projetar um material, você precisa ser capaz de dizer: ‘Se eu adicionar este elemento, é assim que (o material) mudará.’ E não entendíamos como isso estava acontecendo; não havia nada de preditivo 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. 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 faz com que os campos magnéticos diminuam esse movimento.

Simulando Magnetismo e Movimento Atômico

Usando uma abordagem computacional conhecida como média de spin-espaço, Trinkle executou simulações que levaram em conta a temperatura e os campos magnéticos. Essas simulações rastrearam 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 eles não se alinham, o átomo é paramagnético e apenas fracamente magnetizado.

Os resultados mostraram que os spins alinhados 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 extremamente forte para mudar os momentos magnéticos”, disse Trinkle. “Se você estiver perto da temperatura Curie, o campo magnético tem um efeito forte… Quando os giros são mais aleatórios, o octaedro (gaiola) na verdade fica 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 as descobertas podem ajudar a reduzir a energia necessária para processar o aço, diminuindo os custos de produção e reduzindo o CO₂ emissões. Além do aço, os mesmos princípios poderiam ser aplicados a outros materiais, permitindo aos cientistas prever quantitativamente como os campos magnéticos influenciam a difusão atómica de forma mais ampla.

“Queríamos ser capazes de fazer cálculos reais; mostrar não apenas qualitativamente, mas quantitativamente 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 extremamente vantajoso.”

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 a nomeação de professor Ivan Racheff.