Le prestazioni dei materiali sono fortemente influenzate dai loro elementi di lega:l'aggiunta di elementi oltre la composizione di base della lega può influenzare fortemente le proprietà e le prestazioni di essa. In pratica, non è solo importante quali elementi vengono aggiunti, ma anche a quali importi e come si ordinano nel reticolo ospite. Per la composizione di base fondamentale di qualsiasi acciaio, ferro e carbonio, la concentrazione e l'ordinamento degli atomi di carbonio e la loro interazione con il reticolo ospite di ferro negli acciai martensitici è stata analizzata da un team di scienziati del Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) e la Ruhr-Universität Bochum (RUB). Gli scienziati hanno esaminato i meccanismi di ordinamento interstiziale collettivo negli acciai Fe-C e hanno determinato in che modo l'anarmonicità e la segregazione influiscono sul meccanismo di ordinamento e, di conseguenza, le prestazioni del materiale. Le loro recenti scoperte sono state pubblicate in Materiali della natura .

Dove vanno gli atomi di carbonio

"Quando gli atomi di carbonio entrano nel reticolo ospite di ferro degli acciai martensitici, si diffondono tra gli atomi di ferro e non assumono le posizioni degli atomi di ferro nel reticolo ospite. Tuttavia, creano campi di deformazione che influenzano l'intero reticolo. Comprendere il meccanismo dell'ordinamento interstiziale risultante è una chiave per la progettazione di acciai ad altissime prestazioni poiché ottengono la loro forza dalla formazione della martensite, così, dall'ordinamento interstiziale collettivo, " spiega il Dr. Tilmann Hickel. Hickel è a capo del gruppo "Computational Phase Studies" presso l'MPIE ed è stato il supervisore principale del Dr. Xie Zhang, il primo autore della pubblicazione. Ogni atomo interstiziale, a causa delle sue dimensioni e dell'interazione chimica con gli atomi del reticolo ospite, crea un campo di deformazione locale che sposta gli atomi vicini dell'ospite lontano dalle loro posizioni reticolari originali. "Immagina di inserire un bastoncino di legno nella sabbia della spiaggia e osservare come il bastoncino sposta i granelli di sabbia che lo circondano. Lo stesso accade quando aggiungiamo carbonio al reticolo ospite di ferro. Gli interstiziali di carbonio, trovare la loro strada attraverso il reticolo ospite, ordinare in luoghi energeticamente favorevoli e distorcere e indurire la struttura precedente, " spiega Hickel. Un'alta concentrazione di interstitial porta a fenomeni di ordinamento/disordine e distorsioni reticolari, influenzando così le prestazioni di bulk degli acciai.

Il team di ricerca ha identificato due componenti che influenzano l'ordinamento interstiziale. Il primo risulta dall'anarmonico causato dai campi di deformazione nel reticolo del Fe. "A causa di questa anarmonia, la concentrazione critica di C per una trasformazione ordine-disordine è diminuita. Per comprendere lo spostamento degli atomi di Fe a diverse distanze, dobbiamo considerare il contributo anarmonico nella posizione di primo vicino di un interstiziale C, " spiega la dott.ssa Jutta Rogal del Centro interdisciplinare per la simulazione di materiali avanzati della Ruhr-Universität Bochum.

La seconda componente che influenza l'ordinamento interstiziale è la segregazione di C a difetti estesi. Questa segregazione avviene a basse concentrazioni di C ed è soppressa ad alte concentrazioni di C a causa di un abbassamento del potenziale chimico del C nella martensite ordinata. Il potenziale chimico del C nella martensite Fe-C aumenta gradualmente con l'aumentare della concentrazione di C fino a raggiungere lo 0,8 at.%. Quindi decresce rapidamente a causa della transizione ordine-disordine.

Transizione ordine-disordine

Entrambi i componenti, il livello di anarmonicità e il comportamento di segregazione, determinanti per la transizione ordine-disordine. "Un risultato inaspettato dello studio è stato che non è sufficiente analizzare solo la disposizione degli atomi di carbonio alla rinfusa. Piuttosto, si verifica una forte competizione tra la concentrazione di carbonio nella massa e la sua segregazione a difetti estesi. Solo con questa intuizione è stato possibile ottenere una comprensione completa della transizione ordine-disordine. Questa competizione diminuisce con una concentrazione crescente di interstitial di carbonio, poiché i difetti estesi possono incorporare interstitial solo in quantità limitata. La concentrazione esatta dipende dalla densità dei difetti. Nei nostri calcoli e confermato da esperimenti, la martensite disordinata è innescata da una concentrazione di carbonio nell'intervallo tra 0,8 at.% e 2,6 at.%. Sopra il 2,6 at.% si forma martensite ordinata, che fornisce una resistenza superiore agli acciai. Sotto lo 0,8 al.%, gli atomi di carbonio si segregano a dislocazioni nei bordi dei grani, " spiega il professor Jörg Neugebauer, direttore del dipartimento Computational Materials Design presso l'MPIE. I calcoli teorici sono stati confermati da misurazioni di microscopia elettronica a trasmissione e tomografia con sonda atomica eseguite presso la Ruhr-Universität Bochum.

Generalmente, l'esatta concentrazione critica di C dipende dalla microstruttura del materiale e dall'energia di legame tra C e uno specifico difetto esteso. L'intervallo di concentrazione critica mostrato di 0,8 at.% e 2,6 at.% non è universale, ma dipende dal campione e dai suoi difetti estesi. Però, le concentrazioni critiche possono essere calcolate con precisione se a) l'esatta energia di legame tra C e il difetto esteso, e b) la concentrazione massima di C che può essere inclusa dal difetto esteso, sono conosciuti. Il team di MPIE e RUB ha mostrato il ruolo decisivo che l'anarmonia e la segregazione giocano per quanto riguarda il meccanismo di ordinamento interstiziale, utilizzando le leghe Fe-C come modello per altri sistemi rilevanti. L'inclusione degli effetti anarmonici nelle transizioni di fase ordine-disordine fornisce un nuovo livello di modellazione predittiva dei materiali, aprendo la strada alla progettazione di acciai ad altissime prestazioni.