Naukowcy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych przewidują możliwość porządkowania struktury atomów w stopach wieloskładnikowych za pomocą punktowego nacisku na ich powierzchnię. Do tej pory sądzono, że takie uporządkowania mogą tworzyć się jedynie pod wpływem obróbki termicznej. Trwają starania, by wynik numeryczny potwierdzić eksperymentalnie.

W standardowym modelowaniu stopów metali zakłada się, że atomy różnych pierwiastków tworzących stop rozmieszczone są przypadkowo w strukturze krystalicznej. Zarazem występujące krótkozasięgowe obszary uporządkowania w strukturze chemicznej stopów (CSRO – chemical short-range order), obejmujące wielkość kilku lub kilkunastu odległości międzyatomowych, mogą być źródłem kluczowych właściwości, takich jak wyjątkowa twardość, wytrzymałość i plastyczność. Wynika to z tego, że uporządkowane struktury mogą utrudniać lub nawet uniemożliwiać przemieszczanie się defektów w strukturze materiału.

Symulując instrumentalne badanie twardości stopu niklu, kobaltu i chromu (NiCoCr) zespół naukowców z Centrum Doskonałości (CoE) NOMATEN w Narodowym Centrum Badań Jądrowych, odkrył ze zdziwieniem, że atomy niklu w wyniku takiego procesu mogą ustawiać się w struktury uporządkowane chemicznie. Podobne zjawiska obserwowano dotąd jedynie pod wpływem obróbki termicznej, tymczasem symulacje wskazały, że do osiągnięcia efektu wystarczy punktowy nacisk diamentowym ostrzem (wgłębnikiem). Jest to na tyle ważny wynik, że artykuł opisujący to osiągnięcie został opublikowany w marcu prestiżowym czasopiśmie Physical Review Letters.

„W tym badaniu użyliśmy symulacji komputerowych, aby sprawdzić jak niektóre obróbki termiczne i techniki próbkowania nanomechanicznego wpływają na ułożenie atomów w stopach wieloskładnikowych, w szczególności w stopie NiCoCr” – wyjaśnia Amirhossein Naghdi, pierwszy autor publikacji, doktorant w CoE Nomaten – „Odkryliśmy, że pewne szczególne metody instrumentalnego badania twardości mogą wywołać lokalną reorganizację atomów pod końcówką wgłębnika, prowadząc do wyjątkowych periodycznych struktur w ich gęstości.” Symulacje molekularne oparte zostały na znanych i wielokrotnie sprawdzonych wersjach potencjałów międzyatomowych.

Modelowanie rozpoczęto od komputerowego „wygrzewania” próbki stopu NiCoCr o losowo rozmieszczonych atomach poszczególnych składników, w celu uzyskania realistycznego stanu początkowego. Następnie w ramach symulacji, w próbkę zostało „wciśnięte” diamentowe ostrze. Po osiągnięciu pewnej głębokości proces zatrzymano, pozostawiając wgłębnik nieruchomo w próbce. W tym stanie zasymulowano zmiany zachodzące w materiale za pomocą hybrydowych procesów dynamiki molekularnej oraz metod Monte Carlo. Okryto, że w takich warunkach atomy niklu oddzielają się od atomów kobaltu i chromu, w wyniku czego przestają być rozłożone losowo, lecz organizują się w układ warstw rozchodzących się pod końcówką wgłębnika. Co istotne, wzór ten pozostaje w strukturze stopu nawet po usunięciu wgłębnika z materiału. Nie występuje on jednak, jeśli pominięta zostanie faza przedłużonego działania siły, czyli podczas normalnego procesu nacisku i natychmiastowego jego zwolnienia.

„Nasze odkrycia pozwalają na wgląd w możliwości manipulacji właściwościami stopów na poziomie atomowym, co może mieć wpływ na projektowanie materiałów z zadanymi parametrami do różnych zastosowań.” – dodaje Amirhossein Naghdi. W przyszłości grupa chce skupić się na połączniu doświadczalnego badania twardości z elektronową mikroskopią o wysokiej rozdzielczości (HRTEM – High Resolution Transmission Electron Microsopy), aby dodatkowo zweryfikować to zjawisko. Przyszłe badania mogą rozstrzygnąć czy zaobserwowane rozkłady atomów mają wpływ na właściwości badanego stopu istotne dla zastosowań w projektowaniu i inżynierii materiałów.

Centrum Doskonałości NOMATEN to departament naukowy, który powstał w ramach NCBJ, dzięki współpracy między NCBJ, CEA (Francja), VTT (Finlandia) przy wsparciu funduszy UE. Jego celem jest prowadzenie badań, a w ich wyniku uzyskanie nowych materiałów odpornych na wysokie temperatury, korozję i promieniowanie, które mogą być stosowane w przemyśle oraz w nowych rozwiązaniach radiofarmaceutycznych. Osiągnięcie opisanych wyników stało się możliwe dzięki wsparciu finansowemu w ramach programu Unii Europejskiej Horizon 2020 (grant nr 857470) oraz Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach programu Międzynarodowych Agend Badawczych PLUS Fundacji na rzecz Nauki Polskiej (grant nr MAB PLUS/2018/8), a także Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego w ramach programu „Wsparcie działalności Centrów Doskonałości utworzonych w Polsce w ramach programu Horyzont 2020” (umowa nr MEiN/2023/DIR/3795).

Oryginalna publikacja:
Dynamic Nanoindentation and Short-Range Order in Equiatomic NiCoCr Medium-Entropy Alloy Lead to Novel Density Wave Ordering
A. Naghdi, F. J. Domínguez-Gutiérrez, W. Y. Huo, K. Karimi, and S. Papanikolaou
Phys. Rev. Lett. 132, 116101
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.116101

Grafika:
Wyniki symulacji struktury atomowej stopu NiCoCr po punktowym nacisku diamentowym ostrzem. Jak zaobserwowali naukowcy, atomy niklu układają się wzdłuż kierunku działania siły nacisku. Utworzona struktura pozostaje w materiale nawet po usunięciu ostrza.
Copyright by NCBJ 2024.