Materialens prestanda påverkas starkt av deras legeringselement:Att lägga till element utöver legeringens grundläggande sammansättning kan starkt påverka dess egenskaper och prestanda. I praktiken, det är inte bara viktigt vilka element som läggs till, men också till vilka belopp och hur de beställer i värdgallret. För den grundläggande grundsammansättningen av alla stål – järn och kol – analyserades koncentrationen och ordningen av kolatomer och deras interaktion med järnvärdgittret i martensitiska stål av ett team av forskare från Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) och Ruhr-Universität Bochum (RUB). Forskarna undersökte mekanismerna för kollektiv interstitiell ordning i Fe-C-stål och bestämde hur anharmonicitet och segregation påverkar ordningsmekanismen och följaktligen, materialets prestanda. Deras senaste fynd publicerades i Naturmaterial .

Vart tar kolatomerna vägen

"När kolatomer kommer in i järnvärdgittret i martensitiska stål, de diffunderar mellan järnatomerna och tar inte över järnatomernas positioner i värdgittret. Ändå, de skapar spänningsfält som påverkar hela gittret. Att förstå mekanismen för den resulterande interstitiella ordningen är nyckeln till att designa ultrahögpresterande stål eftersom de får sin styrka från martensitbildningen, Således, från den kollektiva mellanliggande ordningen, " förklarar Dr. Tilmann Hickel. Hickel är chef för gruppen "Computational Phase Studies" vid MPIE och var huvudhandledare för Dr. Xie Zhang, publikationens första författare. Varje interstitiell atom, på grund av dess storlek och kemiska interaktion med atomerna i värdgittret, skapar ett lokalt stamfält som förskjuter sina närliggande värdatomer bort från deras ursprungliga gitterpositioner. "Föreställ dig att du sätter in en träpinne i sanden på stranden och ser hur pinnen tränger undan sandkornen som omger den. Detsamma händer när vi lägger till kol i järnvärdens galler. Kolmellanrummen, hitta vägen genom värdgallret, ordning på energiskt gynnsamma platser och förvränga och härda den tidigare strukturen, " förklarar Hickel. En hög koncentration av interstitials leder till ordnade/störande fenomen och gitterförvrängningar, vilket påverkar stålens bulkprestanda.

Forskargruppen identifierade två komponenter som påverkar ordningen på mellanliggande sidor. Den första härrör från anharmoniciteten som orsakas av töjningsfälten i Fe-gallret. "På grund av denna oharmoni, den kritiska C-koncentrationen för en ordningsstörningstransformation minskas. För att förstå förskjutningen av Fe-atomerna på olika avstånd, vi måste överväga det oharmoniska bidraget i den första grannpositionen för en C-mellansida, " förklarar Dr. Jutta Rogal från Interdisciplinary Center for Advanced Materials Simulation vid Ruhr-Universität Bochum.

Den andra komponenten som påverkar den interstitiella ordningen är segregeringen av C till utökade defekter. Denna segregering sker vid låga C-koncentrationer och undertrycks vid höga C-koncentrationer på grund av en sänkning av den kemiska C-potentialen i ordnad martensit. Den kemiska potentialen för C i Fe-C martensit ökar gradvis med ökande C-koncentration tills 0,8 at.% uppnås. Sedan minskar det snabbt på grund av övergången till ordningsstörning.

Övergång till ordningsstörning

Båda komponenterna, nivån av anharmonicitet och segregationsbeteendet, är avgörande för övergången till ordningsstörning. "Ett oväntat resultat av studien var att det inte är tillräckligt att bara analysera arrangemanget av kolatomerna i bulk. Snarare, en stark konkurrens mellan kolkoncentrationen i bulken och dess segregation till utökade defekter uppstår. Endast med denna insikt var det möjligt att få en heltäckande förståelse för övergången till ordningsstörning. Denna konkurrens minskar med en ökande koncentration av kolmellanliggande annonser, eftersom utökade defekter endast kan innehålla mellansidesannonser till ett begränsat antal. Den exakta koncentrationen beror på tätheten av defekterna. I våra beräkningar och bekräftade av experiment, oordnad martensit utlöses av en kolkoncentration i intervallet mellan 0,8 at.% och 2.6 at.%. Över 2,6 at.% beställd martensit bildas, vilket ger en överlägsen hållfasthet till stål. Under 0,8 at.%, kolatomer segregerar till dislokationer i korngränserna, " förklarar professor Jörg Neugebauer, chef för avdelningen Computational Materials Design vid MPIE. De teoretiska beräkningarna bekräftades av transmissionselektronmikroskopi och atomsondstomografimätningar utförda vid Ruhr-Universität Bochum.

I allmänhet, den exakta kritiska C-koncentrationen beror på materialets mikrostruktur och bindningsenergin mellan C och en specifik förlängd defekt. Det visade kritiska koncentrationsintervallet på 0,8 at.% och 2.6 at.% är inte universellt, men beror på provet och dess utökade defekter. Dock, de kritiska koncentrationerna kan beräknas exakt om a) den exakta bindningsenergin mellan C och den utökade defekten, och b) den maximala C-koncentration som kan inkluderas av den utökade defekten, är känd. MPIE- och RUB-teamet visade den avgörande roll som harmonisitet och segregation spelar när det gäller mekanismen för interstitiell ordning, använda Fe-C-legeringarna som modell för andra relevanta system. Att inkludera anharmoniska effekter i fasövergångar av ordningsstörning ger en ny nivå av prediktiv materialmodellering, banar väg för att designa ultrahögpresterande stål.