De prestaties van materialen worden sterk beïnvloed door hun legeringselementen:het toevoegen van elementen die verder gaan dan de basissamenstelling van de legering kan de eigenschappen en prestaties ervan sterk beïnvloeden. In praktijk, het is niet alleen belangrijk welke elementen worden toegevoegd, maar ook tot welke hoeveelheden en hoe ze in het gastrooster worden gerangschikt. Voor de fundamentele basissamenstelling van elk staal - ijzer en koolstof - werd de concentratie en ordening van koolstofatomen en hun interactie met het ijzeren gastheerrooster in martensitische staalsoorten geanalyseerd door een team van wetenschappers van het Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) en de Ruhr-Universität Bochum (RUB). De wetenschappers onderzochten de mechanismen van collectieve interstitiële ordening in Fe-C-staalsoorten en bepaalden hoe anharmoniciteit en segregatie het ordeningsmechanisme beïnvloeden en bijgevolg, de prestaties van het materiaal. Hun recente bevindingen werden gepubliceerd in Natuurmaterialen .

Waar koolstofatomen heen gaan

"Wanneer koolstofatomen het ijzeren gastheerrooster van martensitische staalsoorten binnendringen, ze diffunderen tussen de ijzeratomen en nemen de posities van de ijzeratomen in het gastheerrooster niet over. Hoe dan ook, ze creëren spanningsvelden die het hele rooster beïnvloeden. Het begrijpen van het mechanisme van de resulterende interstitiële ordening is een sleutel tot het ontwerpen van ultra-high performance staalsoorten, aangezien deze hun kracht verkrijgen door de martensietvorming, dus, van de collectieve interstitiële ordening, " legt Dr. Tilmann Hickel uit. Hickel is hoofd van de groep "Computational Phase Studies" bij de MPIE en was de belangrijkste supervisor van Dr. Xie Zhang, de eerste auteur van de publicatie. Elk tussenatoom, vanwege zijn grootte en chemische interactie met atomen van het gastheerrooster, creëert een lokaal spanningsveld dat de naburige gastheeratomen verplaatst van hun oorspronkelijke roosterposities. "Stel je voor dat je een houten stok in het zand op het strand steekt en kijkt hoe de stok de zandkorrels eromheen verplaatst. Hetzelfde gebeurt wanneer we koolstof toevoegen aan het ijzeren gastheerrooster. De koolstofinterstitials, hun weg vinden door het gastheerrooster, orde op energetisch gunstige plaatsen en vervormen en verharden de vorige structuur, " legt Hickel uit. Een hoge concentratie van interstitials leidt tot ordenings-/wanordeverschijnselen en roostervervormingen, waardoor de bulkprestaties van het staal worden beïnvloed.

Het onderzoeksteam identificeerde twee componenten die de interstitiële ordening beïnvloeden. De eerste is het gevolg van de anharmoniciteit die wordt veroorzaakt door de rekvelden in het Fe-rooster. "Vanwege deze anharmoniciteit, de kritische C-concentratie voor een orde-stoornis-transformatie wordt verlaagd. Om de verplaatsing van de Fe-atomen op verschillende afstanden te begrijpen, we moeten rekening houden met de anharmonische bijdrage in de eerste buurpositie van een C-interstitial, " legt Dr. Jutta Rogal uit van het Interdisciplinair Centrum voor geavanceerde materiaalsimulatie van de Ruhr-Universität Bochum.

De tweede component die de interstitiële ordening beïnvloedt, is de segregatie van C tot uitgebreide defecten. Deze segregatie vindt plaats bij lage C-concentraties en wordt onderdrukt bij hoge C-concentraties door een verlaging van de C-chemische potentiaal in geordend martensiet. Het chemische potentieel van C in Fe-C-martensiet neemt geleidelijk toe met toenemende C-concentratie tot 0,8 at.% wordt bereikt. Daarna neemt het snel af als gevolg van de orde-stoornis-overgang.

Orde-stoornis overgang

Beide componenten, het niveau van anharmoniciteit en het segregatiegedrag, zijn bepalend voor de orde-stoornis-overgang. "Een onverwachte uitkomst van het onderzoek was dat het niet voldoende is om alleen de rangschikking van de koolstofatomen in bulk te analyseren. er treedt een sterke concurrentie op tussen de koolstofconcentratie in de bulk en de segregatie ervan tot langdurige defecten. Alleen met dit inzicht was het mogelijk om een ​​volledig begrip te krijgen van de orde-stoornis-transitie. Deze concurrentie neemt af met een toenemende concentratie van koolstofinterstitials, aangezien uitgebreide defecten slechts in een beperkte hoeveelheid interstitials kunnen bevatten. De exacte concentratie hangt af van de dichtheid van de defecten. In onze berekeningen en bevestigd door experimenten, wanordelijk martensiet wordt veroorzaakt door een koolstofconcentratie in het bereik tussen 0,8 at.% en 2.6 at.%. Boven 2,6 at.% wordt martensiet gevormd, wat zorgt voor een superieure sterkte aan staal. Onder 0,8 at.%, koolstofatomen scheiden tot dislocaties in korrelgrenzen, " legt professor Jörg Neugebauer uit, directeur van de afdeling Computational Materials Design van de MPIE. De theoretische berekeningen werden bevestigd door transmissie-elektronenmicroscopie en atoomsondetomografiemetingen uitgevoerd aan de Ruhr-Universität Bochum.

In het algemeen, de exacte kritische C-concentratie hangt af van de microstructuur van het materiaal en de bindingsenergie tussen C en een specifiek uitgebreid defect. Het getoonde kritische concentratiebereik van 0,8 at.% en 2.6 at.% is niet universeel, maar hangt af van het monster en de uitgebreide defecten. Echter, de kritische concentraties kunnen nauwkeurig worden berekend als a) de exacte bindingsenergie tussen C en het uitgebreide defect, en b) de maximale C-concentratie die kan worden opgenomen door het uitgebreide defect, zijn bekend. Het MPIE- en RUB-team toonde de beslissende rol die anharmoniciteit en segregatie spelen met betrekking tot het mechanisme van interstitiële ordening, gebruik van de Fe-C-legeringen als model voor andere relevante systemen. Het opnemen van anharmonische effecten in fase-overgangen van orde-stoornis biedt een nieuw niveau van voorspellende materiaalmodellering, de weg vrijmaakt voor het ontwerpen van ultra-high-performance staal.