ЭЙМС, Айова - Стремясь лучше понять, как микроструктуры развиваются в материалах, ученые из лаборатории Эймса Министерства энергетики США исследуют определенные свойства, которые существуют в металлах на границе раздела между жидкой и твердой фазами во время затвердевания. Фундаментальные исследования могут когда-нибудь позволить ученым адаптировать развитие микроструктуры, создав основу для новых и улучшенных материалов.
Исследователи Лаборатории Эймса показали, что существует множество тонких вариаций микроскопических свойств вблизи границы раздела жидкость-твердое тело, когда твердое тело «замерзает». Небольшие вариации зависят от того, какая грань кристалла находится в контакте с жидкостью. Различные грани (ориентации) дают несколько разные значения таких свойств, как свободная энергия, подвижность и жесткость (поверхностное натяжение); и эти свойства играют решающую роль в том, как микроструктура металла развивается при затвердевании.
«Есть некоторые свойства, которые чрезвычайно малы, но они имеют огромное влияние», - сказал Рохит Триведи, физик-металлург из лаборатории Эймса и выдающийся профессор Университета штата Айова. «Например, то, как формируется снежинка, зависит от очень мелких факторов. Оказывается, некоторые из этих небольших факторов действительно являются существенными в определении формы», - продолжил он. «То же самое верно не только для материалов, но и для людей, животных, растений - всего, что растет. Люди обычно игнорируют это, но мы обнаруживаем, что они просто не могут».
Сотрудники лаборатории Триведи и Эймса Ральф Наполитано, физический металлург и доцент ИГУ, и Джеймс Моррис, физик-теоретик, уделяют пристальное внимание влиянию малых факторов на эволюцию микроструктуры. Инновационные экспериментальные методы, разработанные Триведи и Наполитано, обеспечили первые надежные измерения незначительных изменений свободной энергии на границе раздела жидкость/твердое тело в металлических системах. Компьютерное моделирование Морриса вычисляет те же самые величины и показывает, как атомы ведут себя на границе раздела. Совместные усилия обеспечивают как прямую проверку между экспериментом и моделированием, так и возможность выдвинуть новые теории затвердевания, которые могут привести к способности предсказывать развитие микроструктуры.
«Мы исследуем некоторые очень специфические величины, такие как изменение межфазной свободной энергии в зависимости от кристаллографической ориентации», - сказал Наполитано. «Раскрывая существенное физическое поведение границ раздела жидкость/твердое тело, эти важные эксперименты способствуют значительному прогрессу в теоретическом предсказании микроструктур».
В экспериментах, предназначенных для измерения небольших эффектов на свойство межфазной свободной энергии, Триведи и Наполитано разработали метод выборочного расплавления определенных микроскопических областей в монокристалле алюминиевого сплава, образуя дисперсию крошечных капель жидкости, захваченных внутри твердый.(Монокристалл - это кристалл, в котором все атомы ориентированы в определенном направлении. Ориентация однородна по всему материалу, что создает простую симметричную структуру.) Затем материал нагревают, чтобы привести каплевидные структуры в равновесие (условие при что в состоянии системы не происходит никаких изменений, если не изменяется ее окружение). После быстрой закалки формы капель очень тщательно измеряют и определяют их равновесные формы, обеспечивая необходимую связь с межфазными свойствами. «Термодинамика говорит нам, как равновесная форма капли связана со свободной межфазной энергией», - сказал Наполитано. «Эти измерения обеспечивают прямые средства для количественной оценки тонких изменений этого свойства в отношении кристаллографической ориентации. Задача состоит в том, чтобы точно измерить степень отклонения формы капель от сферической, а они отклоняются всего на процент или около того».
Получить более четкое представление о том, насколько незначительным может быть это отклонение, - задача Морриса.«Вы смотрите на эту каплю и говорите: «Ну, эта капля не идеально сферическая, у нее небольшая асимметрия». Мы хотим это измерить; мы не хотим, чтобы на нее влияла грязь в системе или что-то еще., - сказал Моррис. «Отклонение - это очень небольшое число, но оно очень важно, и именно здесь на помощь приходят расчеты и моделирование атомных флуктуаций на границе раздела жидкость/твердое тело».
Триведи добавил: «Когда вы смотрите на капли глазами, они выглядят как сферы. Только когда вы увеличиваете и точно измеряете их, вы обнаруживаете, что сферы изменяются в определенных направлениях, поэтому в них присутствует другая энергия. разных направлениях."
Триведи еще раз подчеркнул, что малые эффекты преобладают во всей природе. «В биологии это очень очевидно - подумайте об экспрессии генов в развитии человеческого эмбриона. Многое может пойти не так, но в целом это не так», - сказал он. «То же самое верно и для развития микроструктур в металлах. Есть очень фундаментальные вопросы, которые определяют то, что происходит. Мы хотели бы точно знать, как они влияют на формирование микроструктуры. Для этого нам нужно понять малые эффекты. Мы изучаем металлы, но принципы, которые мы надеемся сформулировать, будут иметь гораздо более широкое применение».
Исследование в настоящее время финансируется Отделом материаловедения и инженерии Управления фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США и Сетью вычислительных наук о материалах DOE BES. Лаборатория Эймса находится в ведении Министерства энергетики Университета штата Айова. Лаборатория проводит исследования в различных областях, представляющих интерес для страны, включая энергетические ресурсы, разработку высокоскоростных компьютеров, очистку и восстановление окружающей среды, а также синтез и изучение новых материалов.