Открытие того, что железо становится намного прочнее с добавлением небольшого количества углерода, было одним из открытий, которые возвестили промышленную революцию. «Изменение состава основного металла путем добавления различных элементов и создания сплава было важно в истории человечества», – говорит Франческо Мареска, доцент Инженерно-технологического института Гронингена (ENTEG) в Университете Гронингена. Как инженер-строитель ему нравятся большие конструкции, такие как мосты.
Но сейчас он изучает металлы в атомном масштабе, чтобы найти лучшие сплавы для конкретных приложений.
Вывих
Мареска особенно интересуется высокоэнтропийными сплавами (ВЭА), которые впервые были предложены около двадцати лет назад. Это сложные сплавы с пятью и более элементами, которые могут обладать всевозможными полезными свойствами.
Но как найти лучший? «Существует около сорока металлических элементов, которые не являются радиоактивными или токсичными и поэтому подходят для использования в сплавах. Это дает нам примерно 1078 различных композиций », – объясняет он. Невозможно протестировать большую часть из них, просто заставив их.
Вот почему Мареска хотел получить хорошую теорию для описания важных свойств HEA.
Одним из этих свойств является жаропрочность, необходимая для различных применений, начиная от газотурбинных двигателей и заканчивая атомными электростанциями. Прочность сплава во многом зависит от дефектов кристаллической структуры. «Идеальные кристаллы – самые прочные, но их не существует в реальных материалах».Считается, что основным фактором, определяющим прочность при высоких температурах в объемноцентрированных кубических сплавах, является винтовая дислокация, дислокация в структуре решетки кристалла, в которой атомы перегруппированы в спиральный узор. «Эти дислокации очень сложно смоделировать в атомном масштабе», – объясняет Мареска.
Состав
Другой тип дефекта – краевая дислокация, при которой лишняя атомная плоскость вставляется в часть кристаллической структуры. Мареска: «Считалось, что эти дислокации не влияют на прочность при высоких температурах, потому что это было экспериментально показано на чистых металлах. Однако мы обнаружили, что они могут определять прочность сложных сплавов.Краевые дислокации намного проще моделировать, и Мареска создал модель этой дислокации в HEA в атомном масштабе, которую затем перевел в скрипт MATLAB, который мог предсказать прочность в инженерном масштабе миллионов различных сплавов при высоких температурах за считанные секунды. минут.
Результатом является зависимость прочности от температуры для этих различных сплавов. «Используя наши результаты, вы можете определить, какие составы дадут вам определенную прочность, например, при 1300 Кельвинах. Это позволяет настраивать свойства такого жаростойкого материала.«Теоретические результаты могут быть использованы для создания сплавов с новыми свойствами или для поиска альтернативных составов, когда один элемент в сплаве становится дефицитным. Модель была проверена путем создания двух разных сплавов и тестирования их прогнозируемого «предела текучести» – величины напряжения, которое они могут выдерживать при высоких температурах без необратимой деформации.
Важность краевой дислокации в этом процессе подтверждена различными экспериментальными методами.
Сюрприз
«Мы также создали атомную модель винтовых дислокаций, которая была слишком сложной для высокопроизводительного анализа краевой дислокации», – говорит Мареска.
Это подтвердило, что винтовая дислокация не является самым важным фактором, определяющим предел текучести в этих сплавах. Открытие того факта, что краевая дислокация определяет большую часть предела текучести сложных ВЭЗ, стало большим сюрпризом и сделало возможным простое теоретически обоснованное открытие новых сложных сплавов.