Nowe modele pomagają w tworzeniu wytrzymalszych i bardziej ciągliwych stopów metali
Modele komputerowe są coraz częściej wykorzystywane w wielu gałęziach przemysłu, pomagając w ocenie wydajności produktów oraz procesów syntezy i selekcji materiałów, jak również wytwarzaniu komponentów. Badanie właściwości materiału to złożony proces, ponieważ zjawiska od których są one zależne obejmują szeroki zakres długości i skal czasowych. Połączenie informacji na poziomie kwantowym, atomowym, mezoskopowym i makroskopowym jest niezbędne, aby móc opracować wieloskalowe modele opisujące, a nawet przewidujące zachowanie materiału. Na przestrzeni ostatnich 60 lat metalurdzy stworzyli bardzo wiele nowych stopów. „Opracowanie nowych lub lepszych stopów metali wymaga przede wszystkim dogłębnego zrozumienia zjawisk fizycznych leżących u podstaw ich niezwykłych właściwości lub przeciwnie, czynników, które negatywnie wpływają na ich właściwości. Ze względu na jej złożoność, w dziedzinie tej wprowadzane są jedynie stopniowe udoskonalenia istniejących stopów lub nagłe udoskonalenia wynikające z zastosowania materiałów opracowanych eksperymentalnie”, mówi prof. Bill Curtin, koordynator finansowanego przez UE projektu PreCoMet. Badania prowadzone w ramach projektu pozwoliły na odkrycie ważnych zjawisk fizycznych wpływających na wytrzymałość i ciągliwość niektórych klas metali. Droga do bardziej ciągliwych stopów magnezu W czystej postaci magnez jest trudny w rozciąganiu i formowaniu, a także nie ma wystarczającej wytrzymałości do wielu zastosowań konstrukcyjnych. Naukowcy z projektu PreCoMet skupili się na zidentyfikowaniu źródeł tych niezwykłych właściwości na poziomie atomów. Symulacje oddziaływań magnezu w skali atomowej pozwoliły im uzyskać obraz stanowiący zwieńczenie dziesięcioleci eksperymentów dotyczących makroskopowych właściwości materiału. „Kluczowe defekty atomistyczne, zwane dyslokacjami, są »nośnikiem« odkształcenia plastycznego – pozwalają sąsiadującym płaszczyznom krystalicznym prześlizgiwać się nad sobą. Zauważyliśmy jednak pewne niezwykłe zachowanie podczas badania struktury ważnej dyslokacji, która zaczęła przekształcać się w kilka możliwych geometrii, które zablokowały ją w miejscu tak, że została unieruchomiona. Te nowe struktury były wcześniej obserwowane doświadczalnie, ale uważano je za anomalie eksperymentalne”, wyjaśnia prof. Curtin. Naukowcy wykazali, że ta nieruchoma struktura jest podstawową cechą magnezu i odpowiada za jego niską plastyczność. Zespół następnie ustalił, że dodanie pierwiastków ziem rzadkich, takich jak itr, neodym i gadolin, nawet w niskich stężeniach, znacznie zwiększa liczbę ruchomych dyslokacji, a zatem zwiększa plastyczność magnezu. Wykorzystując opracowane przez siebie modele, uczeni zasymulowali nowe stopy o dobrych właściwościach w zakresie ciągliwości, unikając stosowania mniej pożądanych pierwiastków ziem rzadkich. Wytwarzanie stopów o wysokiej entropii bez metody prób i błędów Nowa klasa składających się z wielu pierwiastków stopów o wysokiej entropii jest poszukiwana między innymi ze względu na wysoką wytrzymałość i wysoką odporność na pękanie w szerokim zakresie temperatur. Pomimo 70 lat eksperymentów, do niedawna brakowało modeli, które pozwalałyby dokładnie przewidzieć wytrzymałość stopu nawet w prostych strukturach, w których dominuje pojedynczy pierwiastek. Naukowcy rozszerzyli swoje prace na modelowanie klas stopów posiadających dwie wspólne struktury krystaliczne, niezależne od liczby pierwiastków i ich stężeń. Za pomocą swoich modeli mogą z powodzeniem przewidzieć wytrzymałość wielu stopów w oparciu o pewne podstawowe właściwości atomowe. „Możemy teraz projektować nowe, wysokowytrzymałe stopy, które nigdy wcześniej nie były produkowane. Biorąc pod uwagę samą liczbę możliwych kombinacji składników, jest to duży wyczyn, ponieważ naukowcy zajmujący się badaniami materiałowymi mają trudności z ustaleniem, gdzie szukać nowych stopów o wysokiej entropii”, podsumowuje prof. Curtin. Prace prowadzone w ramach projektu mogłyby pomóc inżynierom w stworzeniu specjalnych stopów dla szerokiej gamy zastosowań, od przemysłu lotniczego i motoryzacyjnego po biomedycynę.
Słowa kluczowe
PreCoMet, model, magnez, stop o wysokiej entropii, stop metali, ciągliwość, dyslokacja, pierwiastek ziem rzadkich
