Стабилизация роста выделений на границах зерен в сплавах

Материалы часто считаются однофазными, но многие конструкционные материалы содержат две или более фаз, что улучшает их свойства и характеристики. Эти двухфазные материалы имеют включения, называемые осадками, встроенные в микроструктуру. Сплавы, представляющие собой комбинации двух или более типов металлов, используются во многих областях, например, в турбинах для реактивных двигателей и легких сплавах в автомобильной промышленности, поскольку они обладают очень хорошими механическими свойствами благодаря включенным в них выделениям. Однако средний размер выделений имеет тенденцию увеличиваться со временем – в процессе, называемом огрублением, – что приводит к ухудшению характеристик микроструктур с наноразмерными выделениями.

Исследователи из Университета Иллинойса Урбана-Шампейнопределили новый путь для стабилизации наноразмерных выделений в сплавах. В новом исследовании профессор материаловедения и инженерии Паскаль Беллон, научный сотрудник Габриэль Буобда Моладже и их коллеги показывают, что можно использовать неравновесные процессы, чтобы остановить укрупнение выделений, что приводит к образованию стабильных наноструктур.

Результаты этого исследования были недавно опубликованы в журнале Physical Review Letters.

«За последние два десятилетия исследователи поняли, что наноразмерные включения в структуре могут быть очень полезны для материала», — говорит Беллон. «Проблема в том, что эти маленькие частицы спонтанно хотят вырасти больше».

Думайте об этом как о приготовлении макарон: когда масло добавляется в кипящую воду, капли масла при первом добавлении и перемешивании могут быть маленькими, но если помешивание прекратить, капли объединятся, образуя более крупные капли. Это процесс огрубления. «Если мы заинтересованы в распределении мелких объектов, мы должны бороться с этой естественной тенденцией к укрупнению вещей», — объясняет Беллон.

Команда использовала компьютерное моделирование для исследования выделений, образующихся в доменах между различными кристаллами материала, называемых границами зерен, при воздействии неравновесной силы облучения. В равновесной среде силы уравновешены, и в материале нет чистых изменений. Однако в большинстве случаев твердые материалы подвергаются воздействию неравновесных сил, таких как облучение или даже перемешивание. Поэтому важно понять, как развиваются выделения в таких неравновесных средах.

«Нас особенно интересовали сплавы, подвергающиеся облучению энергичными частицами», — говорит Беллон. «Такая ситуация, например, происходит с материалами, используемыми в ядерной сфере. То же самое относится и к материалам, используемым в космосе, где они подвергаются бомбардировке космическими лучами. В частности, мы рассматривали модельный сплав алюминия и сурьмы».

В сплавах алюминия и сурьмы сурьма стремится образовывать осадки, как масло хочет образовывать капли в воде. Исследователи обнаружили, что при облучении на границах зерен, как и ожидалось, образуются осадки. Но они также обнаружили, что вместо того, чтобы укрупняться и продолжать расти, осадки достигают определенного размера и останавливаются. Это называется поведением задержанного огрубления и является неожиданным результатом.

Этот подход может быть применен к другим системам материалов, где транспорт частиц играет важную роль, например, транспорт ионов между электродами в батареях. В материалах аккумуляторов может быть выгодно иметь небольшие выделения, поскольку крупные выделения могут вызвать сильную нагрузку на материал. В таком случае подавление огрубления было бы полезным.

После этого вычислительного исследования Беллон вместе с профессорами UIUC MatSE Робертом Авербаком и Мари Шарпань планируют начать экспериментальное подтверждение недавно опубликованных результатов. Беллон говорит: «Мы рады объединить моделирование, теорию и эксперименты, используя при этом преимущества всех инструментов Лаборатории исследования материалов, чтобы проверить предсказания компьютерного моделирования на экспериментальном уровне».