E4 Propriedades Mecânicas em Nanoescala

Tópico

A relação de Hall-Petch convencional, que utiliza um modelo diferente para um conjunto distinto de materiais para prever que um tamanho de grão menor resulta em maior resistência mecânica, deixa de ser válida quando o tamanho dessa nanoestrutura cai abaixo de um limiar crítico. Abaixo desse limiar crítico, a relação de Hall-Petch convencional se inverte, e reduções adicionais no tamanho dessa nanoestrutura não aumentam mais sua resistência mecânica da mesma forma. Quando o tamanho cai abaixo desse limiar crítico, o mecanismo de deformação dominante dessa nanoestrutura muda completamente, deixando de ser o mesmo mecanismo que sustenta a relação de Hall-Petch convencional em tamanhos maiores.

Em uma nanoestrutura policristalina com grãos já abaixo desse limiar crítico, cada grão individual torna-se pequeno demais para conter sequer uma única fonte de deslocamentos capaz de operar em seu interior. Essa escassez de deslocamentos em nanoescala é o que produz, nesse regime, uma relação Hall-Petch inversa: em vez de os contornos de grão continuarem a atuar como obstáculos ao movimento de deslocamentos dentro de cada grão, como descrito pela relação Hall-Petch convencional, esses mesmos contornos de grão começam a deslizar e girar uns em relação aos outros, amolecendo essa nanoestrutura em vez de endurecê-la. O fato de o tamanho do grão dessa nanoestrutura, já abaixo desse limiar crítico, ser ainda menor significa que, de acordo com essa mesma relação Hall-Petch inversa, a resistência mecânica dessa nanoestrutura é consequentemente menor.

Em um nanopilar, por outro lado, um volume desse metal reduzido a uma única dimensão característica muito pequena, mas com relativamente poucos ou mesmo nenhum contorno de grão, é a escassez de deslocamentos preexistentes dentro desse volume muito pequeno, e não a escassez de fontes de deslocamento em cada grão, que produz o efeito oposto: uma relação "menor é mais forte", na qual esse nanopilar se torna mais forte quanto menor for seu diâmetro. O fato de este nanopilar possuir menos discordâncias preexistentes em seu volume já reduzido significa que deformá-lo requer a nucleação de novas discordâncias do zero, em vez de simplesmente mover as já presentes, e que o esforço necessário para alcançar essa nucleação é, consequentemente, muito maior do que o exigido por um volume maior de metal com discordâncias já disponíveis.

Portanto, este modelo, com sua inversão da relação de Hall-Petch, descreve dois regimes em pequena escala: o Hall-Petch inverso de uma nanoestrutura policristalina e o regime "menor é mais forte" de um nanopilar. Esses regimes não têm análogo na metalurgia convencional, que, em tamanhos maiores, já descreve a mesma relação de Hall-Petch monotonicamente e sem qualquer inversão. Em ambos os regimes deste modelo, a resistência mecânica deste metal deixa de depender unicamente do tamanho do grão no sentido convencional, e passa a depender se o mecanismo dominante é a escassez de fontes de discordâncias dentro de cada grão, que amolece o material, ou a escassez de discordâncias preexistentes em todo o volume, que o endurece. O fato de ambos os mecanismos compartilharem a mesma causa subjacente — a escassez de deslocamentos em uma escala suficientemente pequena — e, ainda assim, produzirem efeitos opostos na resistência mecânica desse metal, significa que esse modelo não pode ser resumido em uma única regra simples, ao contrário da relação convencional de Hall-Petch, que pode ser resumida em escalas maiores.

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