Föreningen av järn och aluminium med den kemiska formeln Fe3 Al har några mycket användbara mekaniska egenskaper. Ett team från Osaka University har kombinerat simuleringar med experimentella tekniker för att bättre förstå kinetiken för bildandet av mikrostrukturer för att förbättra och använda dessa egenskaper för specifika tillämpningar.
I en studie publicerad i Acta Materialia, forskarna tog en djupgående titt på hur mikrostrukturen hos Fe3 Al utvecklas eftersom de ordnade domänerna som bildas bidrar till en av dess nyckelegenskaper:superelasticitet.
När höga belastningar appliceras på superelastiska material kan de deformeras till stora spänningar vilket skulle resultera i en permanent belastning i konventionella material utan brott. Intressant nog kan de återgå till sin ursprungliga form när de är avlastade. Detta kan användas i en mängd olika applikationer från hälsovårdsmaterial till seismiska enheter för byggmaterial.
Superelasticitet beror på hur atomerna är ordnade i ett material. Detta kan skilja sig åt mellan olika material. I det mest välkända superelastiska materialet, d.v.s. TiNi-legeringar, som består av ädla och sällsynta metaller av titan och nickel, är förändringen av kristallstrukturer som svar på belastningen (d.v.s. martensitisk transformation) ansvarig för den stora plastiska deformationen och återhämtningen av formen.
Däremot i Fe3 Al som består av vanliga metaller av järn och aluminium, de superelastiska egenskaperna orsakas inte av förändringen av kristallstrukturen utan av dislokationsglidning, vilket är den relativa förskjutningen av atomer som håller kristallstrukturen. Dislokationsglidning ger normalt upphov till permanent påfrestning, förutom när det finns en kraft som kan ge upphov till bakåtrörelse av dislokation.
I Fe3 Al, bakåtrörelsen av dislokation kan orsakas av antifasgränser (APB) som separerar områden inom ett material som kallas domäner, och formen och storleken på gränserna mellan dessa domäner bidrar till de superelastiska egenskaperna.
"För att utnyttja särskilda materialegenskaper och säkerställa att de är lämpliga för deras tillämpning måste du förstå vad som händer", förklarar studiens huvudförfattare Yuheng Liu.
"Hittills beställt mobilitetsstudier av atomerna i Fe3 Alla har lett till olika tolkningar beroende på den experimentella tekniken. Vi har därför kombinerat fasfältsdatorsimuleringar och experiment med transmissionselektronmikroskopi (TEM) för att äntligen få en bra bild."
Datorsimuleringarna förutspådde 3D-formerna för områdena i Fe3 Al med ordnad struktur. Dessa fynd jämfördes sedan med TEM-observationer för Fe3 Alla prover uppvärmda till olika temperaturer. De kombinerade uppgifterna avslöjade rörligheten för att bilda den beställda D03 -typstruktur.
D03 struktur för Fe3 Al liknar L21 struktur av andra material. Fynden kan därför ge en utgångspunkt för att utforska värmebehandlingar för andra funktionella material, inklusive halvmetaller för spintronik, som kan bli avgörande för kvantberäkning inom en snar framtid.
"Det är utmanande att designa experiment som kan fånga förflyttningen av gränser och detaljerna om hur mikrostrukturen utvecklas, särskilt i de tidiga stadierna av beställning", säger seniorförfattaren Yuichiro Koizumi. "Fasfältsimuleringarna ger ett fönster in i processen som har saknats i tidigare studier."
Studiens resultat förväntas stödja tillämpningar inom byggbranschen. Till exempel Fe3 Al skulle kunna användas för att 3D-skriva ut strukturella delar som kan fungera som stötdämpare för seismisk aktivitet.
Mer information: Yuheng Liu et al, Lösning av den långvariga diskrepansen i Fe3Al-beställningsmobiliteter:En synergistisk experimentell och fasfältsstudie, Acta Materialia (2024). DOI:10.1016/j.actamat.2024.119958
Journalinformation: Acta Materialia
Tillhandahålls av Osaka University
