Kombination af elektronmikroskopi og simuleringer for at få en grundig forståelse af en jern- og aluminiumslegering

Forbindelsen af ​​jern og aluminium med den kemiske formel Fe₃ Al har nogle meget nyttige mekaniske egenskaber. Et team fra Osaka University har kombineret simuleringer med eksperimentelle teknikker for bedre at forstå kinetikken i dannelsen af ​​mikrostrukturer for at forbedre og udnytte disse egenskaber til specifikke applikationer.

I en undersøgelse offentliggjort i Acta Materialia, forskerne kiggede i dybden på måden Fe₃s mikrostruktur på Al udvikler sig, fordi de ordnede domæner, der danner, bidrager til en af ​​dets nøgleegenskaber:superelasticitet.

Når høje belastninger påføres superelastiske materialer, kan de deformeres til store belastninger, hvilket ville resultere i en permanent belastning i konventionelle materialer uden brud. Interessant nok kan de vende tilbage til deres oprindelige form, når de er aflæsset. Dette kan bruges i en bred vifte af applikationer fra sundhedsplejematerialer til seismiske enheder til byggematerialer.

Superelasticitet skyldes den måde, atomerne er arrangeret i et materiale. Dette kan variere mellem materialer. I det mest kendte superelastiske materiale, dvs. TiNi-legeringer, som består af ædle og sjældne metaller af titanium og nikkel, er ændringen af ​​krystalstrukturer som reaktion på belastningen (dvs. martensitisk transformation) ansvarlig for den store plastiske deformation og genvindingen af formen.

I modsætning hertil i Fe₃ Al bestående af almindelige metaller af jern og aluminium, de superelastiske egenskaber er ikke forårsaget af ændringen af ​​krystalstrukturen, men af ​​dislokationsglidning, som er den relative forskydning af atomer, der holder krystalstrukturen. Dislokationsglidning giver normalt anledning til permanent belastning, undtagen når der er en kraft, der kan give anledning til rygbevægelse af dislokation.

I Fe₃ Al, tilbagebevægelsen af ​​dislokation kan være forårsaget af antifasegrænser (APB), som adskiller områder inden for et materiale kendt som domæner, og formen og størrelsen af ​​grænserne mellem disse domæner bidrager til de superelastiske egenskaber.

"For at udnytte særlige materialeegenskaber og sikre, at de er passende til deres anvendelse, er du nødt til at forstå, hvad der sker," forklarer undersøgelsens hovedforfatter Yuheng Liu.

"Indtil nu, bestilling af mobilitetsundersøgelser af atomerne i Fe₃ Al har ført til forskellige fortolkninger afhængigt af den eksperimentelle teknik. Vi har derfor kombineret fase-felt computersimuleringer og transmissionselektronmikroskopi (TEM) eksperimenter for endelig at få et godt billede."

Computersimuleringerne forudsagde 3D-formerne af områderne i Fe₃ Al med ordnet struktur. Disse resultater blev derefter sammenlignet med TEM-observationer for Fe₃ Alle prøver opvarmet til forskellige temperaturer. De kombinerede data afslørede mobiliteten til at danne den bestilte D0₃ -type struktur.

D0₃ struktur af Fe₃ Al ligner L2₁ struktur af andre materialer. Resultaterne kunne derfor give et udgangspunkt for at udforske varmebehandlinger for andre funktionelle materialer, herunder halvmetaller til spintronik, som kan blive afgørende for kvanteberegning i den nærmeste fremtid.

"Det er udfordrende at designe eksperimenter, der kan fange bevægelsen af ​​grænser og detaljerne om, hvordan mikrostrukturen udvikler sig, især i de tidlige stadier af bestilling," siger seniorforfatter Yuichiro Koizumi. "Fasefeltsimuleringerne giver et vindue ind i den proces, der har manglet fra tidligere undersøgelser."

Resultaterne af undersøgelsen forventes at understøtte applikationer i byggebranchen. For eksempel Fe₃ Al kunne bruges til at 3D-printe strukturelle dele, der kan fungere som støddæmpere for seismisk aktivitet.

Flere oplysninger: Yuheng Liu et al., Løsning af den langvarige uoverensstemmelse i Fe3Al-bestillingsmobiliteter:En synergistisk eksperimentel og fase-feltundersøgelse, Acta Materialia (2024). DOI:10.1016/j.actamat.2024.119958

Journaloplysninger: Acta Materialia

Leveret af Osaka University