Wetenschap
Het combineren van elektronenmicroscopie en simulaties om een grondig begrip te krijgen van een ijzer- en aluminiumlegering
De verbinding van ijzer en aluminium met de chemische formule Fe3 Al heeft een aantal zeer nuttige mechanische eigenschappen. Een team van de Universiteit van Osaka heeft simulaties gecombineerd met experimentele technieken om de kinetiek van de vorming van microstructuren beter te begrijpen en deze eigenschappen voor specifieke toepassingen te verbeteren en te gebruiken.
In een studie gepubliceerd in Acta Materialia de onderzoekers hebben diepgaand gekeken naar de manier waarop de microstructuur van Fe3 Al ontwikkelt zich omdat de geordende domeinen die zich vormen bijdragen aan een van de belangrijkste eigenschappen ervan:superelasticiteit.
Wanneer hoge belastingen worden uitgeoefend op superelastische materialen, kunnen ze vervormen tot grote spanningen, wat zou resulteren in een permanente spanning in conventionele materialen zonder breuk. Interessant is dat ze bij het lossen naar hun oorspronkelijke vorm kunnen terugkeren. Dit kan worden gebruikt in een breed scala aan toepassingen, van materialen voor de gezondheidszorg tot seismische apparaten voor bouwmaterialen.
Superelasticiteit is het resultaat van de manier waarop de atomen in een materiaal zijn gerangschikt. Dit kan per materiaal verschillen. In het meest bekende superelastische materiaal, namelijk TiNi-legeringen, die bestaan uit kostbare en zeldzame metalen titanium en nikkel, is de verandering van kristalstructuren als reactie op de belasting (dat wil zeggen Martensitische transformatie) verantwoordelijk voor de grote plastische vervorming en het herstel van de vorm.
In Fe3 daarentegen Omdat ze bestaan uit de gewone metalen ijzer en aluminium, worden de superelastische eigenschappen niet veroorzaakt door de verandering van de kristalstructuur, maar door dislocatieslip, wat de relatieve verplaatsing is van atomen die de kristalstructuur behouden. Dislocatieslip geeft normaal gesproken aanleiding tot permanente spanning, behalve wanneer er een kracht is die aanleiding kan geven tot de achterwaartse beweging van dislocatie.
In Fe3 Al kan de achterwaartse beweging van dislocatie worden veroorzaakt door antifasegrenzen (APB) die gebieden scheiden binnen een materiaal dat bekend staat als domeinen, en de vorm en grootte van de grenzen tussen deze domeinen dragen bij aan de superelastische eigenschappen.
"Om bepaalde materiaaleigenschappen te benutten en ervoor te zorgen dat ze geschikt zijn voor hun toepassing, moet je begrijpen wat er gebeurt", legt hoofdauteur Yuheng Liu uit.
"Tot nu toe hebben we mobiliteitsstudies van de atomen in Fe3 besteld Ze hebben allemaal tot verschillende interpretaties geleid, afhankelijk van de experimentele techniek. We hebben daarom faseveldcomputersimulaties en transmissie-elektronenmicroscopie (TEM)-experimenten gecombineerd om eindelijk een goed beeld te krijgen."
De computersimulaties voorspelden de 3D-vormen van de gebieden in de Fe3 Al met geordende structuur. Deze bevindingen werden vervolgens vergeleken met TEM-waarnemingen voor Fe3 Alle monsters werden verwarmd tot verschillende temperaturen. De gecombineerde gegevens onthulden de mobiliteit voor het vormen van de geordende D03 -type structuur.
De D03 structuur van Fe3 Al is vergelijkbaar met L21 structuur van andere materialen. De bevindingen zouden daarom een startpunt kunnen zijn voor het onderzoeken van warmtebehandelingen voor andere functionele materialen, waaronder halfmetalen voor spintronica, die in de nabije toekomst cruciaal kunnen worden voor kwantumcomputers.
"Het is een uitdaging om experimenten te ontwerpen die de beweging van grenzen en de details van hoe de microstructuur evolueert kunnen vastleggen, vooral in de vroege stadia van het ordenen", zegt senior auteur Yuichiro Koizumi. "De faseveldsimulaties bieden een inzicht in het proces dat in eerdere onderzoeken ontbrak."
De onderzoeksresultaten zullen naar verwachting toepassingen in de bouwsector ondersteunen. Bijvoorbeeld Fe3 Al zou kunnen worden gebruikt om structurele onderdelen in 3D te printen die kunnen fungeren als schokdempers voor seismische activiteit.