I formhukommelseslegeringer, den rigtige kombination af krystalkorn kan opnå høj styrke og stadig bevare hukommelsen

A*STAR forskere har vist, gennem en supercomputersimulering, at høj styrke og formhukommelse kan realiseres på samme tid ved at kombinere krystalkorn i forskellige størrelser, en bedrift, man tidligere troede var umulig. Dette fund demonstrerer potentialet i avancerede simuleringer til at skræddersy materialer for at opnå tidligere uopnåelige fysiske egenskaber.

Formhukommelseslegeringer (SMA'er) er materialer, der kan vende tilbage til en original form ved opvarmning efter at være blevet deformeret ved lav temperatur - en egenskab, der bruges i applikationer som nanoskala-afbrydere og medicinsk udstyr som stents og seler.

Imidlertid, formhukommelseslegeringer mister deres funktionalitet, når størrelsen af ​​de indgående krystalkorn går under en vis grænse - typisk nogle få tiere nanometer.

"Der er blevet foreslået et par teorier for, hvorfor dette sker, " siger Jerry Quek fra A*STAR's Institute of High Performance Computing. "Vi mener, at det er sværere for hukommelsestransformationen at finde sted ved korngrænserne end inden for selve kornene. Dette skaber en yderligere overflade mellem den transformerede hukommelsesfase i kornet og den utransformerede fase ved korngrænsen, hvilket i sidste ende fører til undertrykkelse af transformationen helt ved meget små kornstørrelser."

Dette er vigtigt, fordi SMA'er, ligesom de fleste polykrystallinske metaller, blive stærk ved meget små kornstørrelser, hvor hukommelseseffekten går tabt. Mens det virkede umuligt at opnå styrke og hukommelse på samme tid i det samme materiale, men hvis det blev opnået, det kunne dramatisk udvide SMA'ers potentielle anvendelse og nyttige funktionaliteter.

"Vi blev motiveret af nogle tidligere undersøgelser, der viste, at kombinationen af ​​to forskellige kornstørrelser kunne resultere i en sammenlægning af nyttige egenskaber såsom styrke og duktilitet, " siger Quek. "Men rollen af ​​disse typer af mikrostrukturer i SMA'er var ukendt. En simuleringstilgang er meget effektiv til at undersøge sådanne optimeringsprocesser, da et stort sæt simuleringer for forskellige variationer af kornmikrostruktur kan studeres systematisk."

Sådanne simuleringer er ikke trivielle, imidlertid, og kommer til meget høje beregningsomkostninger. Queks team gjorde udstrakt brug af Singapores National Supercomputing Center, at udføre en kode, der møjsommeligt simulerede ændringen i energi relateret til atomstrukturen inden for og omkring op til 3, 000 krystalkorn. Holdet måtte derefter køre hundredvis af disse simuleringer med forskellige krystalstørrelseskonfigurationer for at bekræfte statistikken.

"Vi var primært interesserede i den reversible austenit-martensitfasetransformation, " forklarer Quek. "De austenitiske og martensitiske faser har forskellige atomarrangementer, og formhukommelse er mulig, hvis materialet kan skiftes reversibelt mellem de to faser, ved at ændre temperatur."

For at studere denne faseadfærd, holdet simulerede og observerede, hvordan den martensitiske fase udviklede sig ved at bratkøle en indledende jern-palladium-legering i austenittilstand. Ved at studere en bred vifte af kornstørrelseskombinationer, forskerne var i stand til at vise, at dannelsen af ​​den martensitiske fase, og dermed udseendet af formhukommelse, kunne kontrolleres ved at ændre kornstørrelsesfordelingen af ​​mikrostrukturen.

"Vi fandt ud af, at introduktion af en population af større korn blandt korn i nanostørrelse genindfører formhukommelseseffekten, mens den høje styrke af nanoskalastrukturen bibeholdes, som kunne have anvendelse i situationer, hvor både styrke og formhukommelseseffekt er vigtig, " siger Quek. "Vi viste også, at for en bestemt kombination af kornstørrelser, vi kan opnå en mikrostruktur, hvor en region gennemgår fasetransformation til martensit, mens andre regioner forbliver austenitiske, som giver mulighed for at designe materialer med en varierende grad af formhukommelsesfunktionalitet på tværs af et materiale."