Hvordan interstitiel bestilling påvirker højstyrkestål

Materialers ydeevne er stærkt påvirket af deres legeringselementer:Tilføjelse af elementer ud over legeringens grundlæggende sammensætning kan i høj grad påvirke egenskaberne og ydeevnen af ​​den. I praksis, det er ikke kun vigtigt, hvilke elementer der tilføjes, men også til hvilke beløb og hvordan de bestiller i værtsgitteret. For den grundlæggende basissammensætning af ethvert stål - jern og kulstof - blev koncentrationen og rækkefølgen af ​​kulstofatomer og deres interaktion med jernværtsgitteret i martensitisk stål analyseret af et hold forskere fra Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) og Ruhr-Universität Bochum (RUB). Forskerne undersøgte mekanismerne for kollektiv interstitiel ordning i Fe-C stål og fastslog, hvordan anharmonicitet og adskillelse påvirker bestillingsmekanismen og som følge heraf, materialets ydeevne. Deres seneste resultater blev offentliggjort i Naturmaterialer .

Hvor kulstofatomer går hen

"Når kulstofatomer kommer ind i jernværtsgitteret af martensitiske stål, de diffunderer mellem jernatomerne og overtager ikke jernatomernes positioner i værtsgitteret. Alligevel, de skaber belastningsfelter, der påvirker hele gitteret. At forstå mekanismen for den resulterende interstitielle bestilling er en nøgle til at designe ultrahøjtydende stål, da de får deres styrke fra martensitdannelsen, dermed, fra den kollektive mellemliggende bestilling, " forklarer Dr. Tilmann Hickel. Hickel er leder af gruppen "Computational Phase Studies" ved MPIE og var hovedvejleder for Dr. Xie Zhang, publikationens første forfatter. Hvert interstitielt atom, på grund af dets størrelse og kemiske interaktion med atomer i værtsgitteret, skaber et lokalt belastningsfelt, der forskyder dets naboværtsatomer væk fra deres oprindelige gitterpositioner. "Forestil dig at indsætte en træpind i sand på stranden og se, hvordan pinden fortrænger sandkornene, der omgiver den. Det samme sker, når vi tilføjer kulstof til jernværtsgitteret. Kulstofmellemrummene, finde vej gennem værtsgitteret, orden på energetisk gunstige steder og forvrænge og hærde den tidligere struktur, " forklarer Hickel. En høj koncentration af interstitialer fører til ordnede/forstyrrende fænomener og gitterforvrængninger, og dermed påvirke stålenes bulkydelse.

Forskerholdet identificerede to komponenter, der påvirker den interstitielle rækkefølge. Den første stammer fra anharmoniciteten forårsaget af belastningsfelterne i Fe-gitteret. "På grund af denne anharmonicitet, den kritiske C-koncentration for en ordensforstyrrelse-transformation reduceres. For at forstå forskydningen af ​​Fe-atomerne i forskellige afstande, vi skal overveje det anharmoniske bidrag i den første naboposition for en C-mellemliggende annonce, " forklarer Dr. Jutta Rogal fra Interdisciplinary Center for Advanced Materials Simulation ved Ruhr-Universität Bochum.

Den anden komponent, der påvirker den interstitielle rækkefølge, er adskillelsen af ​​C til udvidede defekter. Denne segregation finder sted ved lave C-koncentrationer og undertrykkes ved høje C-koncentrationer på grund af en sænkning af det kemiske C-potentiale i ordnet martensit. Det kemiske potentiale af C i Fe-C martensit stiger gradvist med stigende C-koncentration, indtil 0,8 at.% er nået. Derefter falder det hurtigt på grund af overgangen til ordensforstyrrelser.

Orden-forstyrrelse overgang

Begge komponenter, niveauet af anharmonicitet og adskillelsesadfærd, er afgørende for overgangen til ordensforstyrrelse. "Et uventet resultat af undersøgelsen var, at det ikke er tilstrækkeligt kun at analysere arrangementet af kulstofatomerne i bulk. Snarere, der opstår en stærk konkurrence mellem kulstofkoncentrationen i bulken og dens adskillelse til udvidede defekter. Kun med denne indsigt var det muligt at opnå en omfattende forståelse af orden-forstyrrelsen overgangen. Denne konkurrence aftager med en stigende koncentration af kulstofmellemliggende annoncer, da udvidede defekter kun kan inkorporere mellemliggende annoncer i et begrænset antal. Den nøjagtige koncentration afhænger af densiteten af ​​defekterne. I vores beregninger og bekræftet af eksperimenter, forstyrret martensit udløses af en kulstofkoncentration i området mellem 0,8 at.% og 2,6 at.%. Der dannes over 2,6 at.% bestilt martensit, som giver en overlegen styrke i forhold til stål. Under 0,8 at.%, kulstofatomer adskiller sig til dislokationer i korngrænser, " forklarer professor Jörg Neugebauer, direktør for afdelingen Computational Materials Design på MPIE. De teoretiske beregninger blev bekræftet ved transmissionselektronmikroskopi og atomsondetomografimålinger udført ved Ruhr-Universität Bochum.

Generelt, den nøjagtige kritiske C-koncentration afhænger af materialets mikrostruktur og bindingsenergien mellem C og en specifik udvidet defekt. Det viste kritiske koncentrationsområde på 0,8 at.% og 2.6 at.% er ikke universelt, men afhænger af prøven og dens udvidede defekter. Imidlertid, de kritiske koncentrationer kan beregnes præcist, hvis a) den nøjagtige bindingsenergi mellem C og den udvidede defekt, og b) den maksimale C-koncentration, der kan omfattes af den udvidede defekt, er kendt. MPIE- og RUB-teamet viste den afgørende rolle, som harmonisitet og adskillelse spiller med hensyn til mekanismen for interstitiel orden, ved at bruge Fe-C-legeringerne som model for andre relevante systemer. At inkludere anharmoniske effekter i faseovergange i ordensforstyrrelser giver et nyt niveau af forudsigende materialemodellering, baner vejen for at designe ultra-højtydende stål.