Japanska forskare kunde snabbt och exakt förutsäga mikrostrukturen hos nickel-aluminium (Ni-Al)-legeringar som vanligtvis används vid utformningen av jetmotorturbindelar. Förutsägelser om mikrostrukturen hos dessa legeringar har hittills varit tidskrävande och dyra. Fynden har potential att avsevärt främja designen av material – som består av en rad olika legeringar – som används för att tillverka produkter inom flera olika industrisektorer.

Legeringar är hållbara material som består av två eller flera metaller. De nuvarande höga kostnaderna och designbegränsningarna för traditionella legeringstillverkningsprocesser har drivit fram behovet av att skapa effektivare designmetoder. En viktig utmaning har varit hur man exakt förutsäger en legerings mikrostruktur (den mycket småskaliga strukturen som bara är synlig i mikroskop) som i hög grad kan påverka fysikaliska egenskaper som hållfasthet, seghet, motståndskraft mot korrosion, hårdhet och/eller slitstyrka.

Författarna kunde förutsäga legeringsmikrostrukturer genom att använda "fasfältmetoden med första principen." Denna procedur förutsäger mikrostrukturen hos legeringar baserat på enbart fysikens grundläggande lagar (första principerna) och använder sedan dessa parametrar för att modellera mikrostrukturformationer (fasfält). Detta strider mot empirisk modellering, eller förutsägelser baserade enbart på experiment eller tidigare observationer. Vidare, forskarna genomförde sina modelleringsexperiment under höga temperaturer som efterliknar dem i jetmotorturbiner (~1027 ^o C).

Forskningen publicerades i Naturkommunikation den 1 augusti, 2019.

Jakten på nya material med önskvärda egenskaper kräver mikrostrukturkonstruktion av material baserat på att ändra flera variabler, som komposition, morfologi, tryck, temperatur, doping, gjutning och smide.

En pålitlig simuleringsteknik som kan hjälpa till med design och tillverkning av nya material baserat på enbart en teoretisk princip skulle kunna göra produktionen snabbare och billigare. Dock, de flesta av de nuvarande teorierna om materialdesign är fenomenologiska och härledda från experimentella observationer och empiriska erfarenheter. Dessa är både tidskrävande och dyra.

Vad gör den första principens fasfältmetoden så fördelaktig, enligt författarna, är att den överbryggar de exakta småskaliga (första principerna) beräkningarna och storskaliga (fasfält)modellen genom renormaliseringsteori, ett begrepp inom fysiken som i huvudsak gör oändliga frihetsgrader ändliga, eller kontinuerliga variabler diskreta. Med andra ord, genom att använda deras metod, de kunde övervinna tidskrävande och dyra experimentella procedurer och fortfarande producera material som överensstämde med experimentella metoder.

"First-principles phase field method uppfanns som världens första innovativa flerskaliga simuleringsteknik. Genom att använda denna metod, vi kunde framgångsrikt förutsäga komplexa mikrostrukturer av alla sammansättningar av Ni-Al-legeringar från första principer (fysikens grundläggande lagar) utan att använda någon empirisk parameter, och våra resultat stämmer ganska väl överens med experiment, " säger Kaoru Ohno, motsvarande författare och professor vid Yokohama National University.

Ohno och medförfattare från National Institute for Materials Science i Japan säger att metoden kan användas för att förutsäga mekanisk styrka hos legeringar eftersom de lokala kraftfördelningarna såväl som mikrostrukturerna lätt kan beräknas.

Metoden som författarna presenterar kan också användas för att förutsäga mikrostrukturer av flerkomponentlegeringar, eller legeringar som består av mer än två metaller. "Dessa studier belyser den grundläggande karaktären hos stål och andra legeringar som hittills endast har visats baserat på empiriska observationer. Som sådan, den föreslagna metoden är ett kraftfullt teoretiskt verktyg för att snabbt förutsäga den mest lämpliga legeringen som kan uppnå önskad styrka, seghet, duktilitet, formbarhet, lätthet, etc. så mycket som möjligt, " tillägger Ohno.

I framtiden, författarna planerar att tillämpa metoden på olika stålmaterial och andra flerkomponentlegeringar för att förutsäga beroendet av mikrostrukturer och lokala spänningsfördelningar på deras ursprungliga sammansättningar och bättre förstå deras egenskaper.