Om een ​​100-jarige puzzel in de metallurgie op te lossen over waarom eenkristallen gefaseerde verharding vertonen en andere niet, Wetenschappers van Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) brachten het naar het atomaire niveau.

Het onderzoek verschijnt in de 5 oktober editie van Natuurmaterialen .

Voor millennia, mensen hebben de natuurlijke eigenschap van metalen uitgebuit om sterker te worden of uit te harden wanneer ze mechanisch worden vervormd. Uiteindelijk geworteld in de beweging van dislocaties, mechanismen van metaalverharding zijn al meer dan een eeuw in het vizier van fysieke metallurgen.

Het team onder leiding van LLNL-materiaalwetenschapper Vasily Bulatov voerde atomistische simulaties uit op de limieten van supercomputing die voldoende groot zijn om statistisch representatief te zijn voor macroscopische kristalplasticiteit, maar toch volledig opgelost om de oorsprong van metaalverharding op het meest fundamentele niveau van atomaire beweging te onderzoeken. De simulaties werden uitgevoerd op de Vulcan- en Lassen-supercomputers bij Livermore en Mira-supercomputer bij Argonne Laboratory Computational Facility.

De grondoorzaken van metaalverharding bleven tot 86 jaar geleden onbekend, toen dislocaties - kromlijnige kristaldefecten veroorzaakt door roosterstoornis - werden voorgesteld als verantwoordelijk voor kristalplasticiteit. Ondanks dat een direct causaal verband tussen dislocaties en kristalplasticiteit stevig is vastgesteld, geen enkel team heeft waargenomen wat dislocaties in situ doen - tijdens het persen - in het bulkmateriaal.

"We vertrouwden op een supercomputer om te verduidelijken wat de oorzaak is van metaalverharding, zei Bulatov. "In plaats van te proberen verharding af te leiden uit de onderliggende mechanismen van dislocatiegedrag, wat al tientallen jaren het streven is van de dislocatietheorie, we voerden ultragrootschalige computersimulaties uit op een nog meer basaal niveau - de beweging van atomen waaruit het kristal is gemaakt."

Het team toonde aan dat de beruchte gefaseerde (inflectie)verharding van metalen een direct gevolg is van kristalrotatie onder uni-axiale belasting. In tegenstelling tot zeer uiteenlopende en tegenstrijdige opvattingen in de literatuur, onderzoekers ontdekten dat de basismechanismen van dislocatiegedrag hetzelfde zijn in alle stadia van metaalverharding.

"In onze simulaties zagen we precies hoe de beweging van individuele atomen zich vertaalt in de beweging van dislocaties die samen zorgen voor metaalverharding, ' zei Bulatov.