O desempenho dos materiais é fortemente influenciado por seus elementos de liga:Adicionar elementos além da composição básica da liga pode influenciar fortemente as propriedades e o desempenho da mesma. Na prática, não é apenas importante quais elementos são adicionados, mas também para quais quantidades e como eles ordenam na estrutura do hospedeiro. Para a composição básica fundamental de qualquer aço - ferro e carbono - a concentração e ordenação dos átomos de carbono e sua interação com a rede hospedeira do ferro em aços martensíticos foi analisada por uma equipe de cientistas do Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) e o Ruhr-Universität Bochum (RUB). Os cientistas examinaram os mecanismos de ordenação intersticial coletiva em aços Fe-C e determinaram como a anarmonicidade e a segregação afetam o mecanismo de ordenação e, consequentemente, o desempenho do material. Suas descobertas recentes foram publicadas em Materiais da Natureza .

Para onde vão os átomos de carbono

"Quando os átomos de carbono entram na rede hospedeira de ferro dos aços martensíticos, eles se difundem entre os átomos de ferro e não assumem as posições dos átomos de ferro na rede hospedeira. No entanto, eles criam campos de tensão influenciando toda a rede. Compreender o mecanismo da ordenação intersticial resultante é a chave para projetar aços de ultra-alto desempenho à medida que ganham sua resistência a partir da formação de martensita, portanto, da ordenação intersticial coletiva, "explica o Dr. Tilmann Hickel. Hickel é chefe do grupo" Estudos de Fase Computacional "no MPIE e foi o principal supervisor do Dr. Xie Zhang, o primeiro autor da publicação. Cada átomo intersticial, devido ao seu tamanho e interação química com átomos da rede hospedeira, cria um campo de tensão local que desloca seus átomos hospedeiros vizinhos de suas posições originais da rede. “Imagine inserir uma vara de madeira na areia da praia e observar como ela desloca os grãos de areia que a cercam. O mesmo acontece quando adicionamos carbono à rede hospedeira de ferro. Os intersticiais de carbono, encontrar seu caminho através da estrutura do hospedeiro, ordenar em lugares energeticamente favoráveis ​​e distorcer e endurecer a estrutura anterior, "explica Hickel. Uma alta concentração de intersticiais leva a fenômenos de ordenação / desordem e distorções de rede, influenciando assim o desempenho a granel dos aços.

A equipe de pesquisa identificou dois componentes que influenciam a ordenação intersticial. O primeiro resulta da anarmonicidade causada pelos campos de deformações na rede de Fe. "Devido a esta anarmonicidade, a concentração crítica de C para uma transformação ordem-desordem é diminuída. Para entender o deslocamento dos átomos de Fe em diferentes distâncias, devemos considerar a contribuição anarmônica na posição do primeiro vizinho de um intersticial C, "explica a Dra. Jutta Rogal do Centro Interdisciplinar de Simulação de Materiais Avançados da Ruhr-Universität Bochum.

O segundo componente que influencia a ordenação intersticial é a segregação de C para defeitos estendidos. Essa segregação ocorre em baixas concentrações de C e é suprimida em altas concentrações de C devido à redução do potencial químico C na martensita ordenada. O potencial químico de C na martensita Fe-C aumenta gradualmente com o aumento da concentração de C até que 0,8 at.% Sejam alcançados. Em seguida, diminui rapidamente devido à transição ordem-desordem.

Transição ordem-desordem

Ambos os componentes, o nível de anarmonicidade e o comportamento de segregação, são decisivos para a transição ordem-desordem. “Um resultado inesperado do estudo foi que não é suficiente analisar apenas o arranjo dos átomos de carbono em massa. ocorre uma forte competição entre a concentração de carbono na massa e sua segregação para defeitos extensos. Somente com essa percepção foi possível obter uma compreensão abrangente da transição ordem-desordem. Essa competição diminui com o aumento da concentração de intersticiais de carbono, pois os defeitos estendidos podem incorporar intersticiais apenas em uma quantidade limitada. A concentração exata depende da densidade dos defeitos. Em nossos cálculos e confirmados por experimentos, martensita desordenada é desencadeada por uma concentração de carbono na faixa entre 0,8 at.% e 2,6 at.%. Acima de 2,6 at.% Ordenada martensita é formada, que fornece uma resistência superior aos aços. Abaixo de 0,8 a.%, átomos de carbono segregam em deslocamentos nos limites dos grãos, "explica o professor Jörg Neugebauer, diretor do departamento de Design de Materiais Computacionais do MPIE. Os cálculos teóricos foram confirmados por microscopia eletrônica de transmissão e medidas de tomografia de sonda atômica realizadas no Ruhr-Universität Bochum.

Em geral, a concentração crítica exata de C depende da microestrutura do material e da energia de ligação entre C e um defeito estendido específico. A faixa de concentração crítica mostrada de 0,8 at.% E 2,6 at.% Não é universal, mas depende da amostra e seus defeitos estendidos. Contudo, as concentrações críticas podem ser calculadas com precisão se a) a energia de ligação exata entre C e o defeito estendido, eb) a concentração máxima de C que pode ser incluída pelo defeito estendido, são conhecidos. A equipe MPIE e RUB mostrou o papel decisivo da anarmonicidade e da segregação no mecanismo de ordenação intersticial, usando as ligas Fe-C como um modelo para outros sistemas relevantes. Incluir efeitos anarmônicos em transições de fase de desordem de ordem fornece um novo nível de modelagem de materiais preditivos, pavimentando o caminho para o projeto de aços de altíssimo desempenho.