El rendimiento de los materiales está fuertemente influenciado por sus elementos de aleación:agregar elementos más allá de la composición básica de la aleación puede influir fuertemente en las propiedades y el rendimiento de la misma. En la práctica, no solo es importante qué elementos se agregan, pero también a qué cantidades y cómo se ordenan en el entramado de acogida. Para la composición básica fundamental de cualquier acero (hierro y carbono), un equipo de científicos del Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) analizó la concentración y el orden de los átomos de carbono y su interacción con la red huésped de hierro en los aceros martensíticos. y la Ruhr-Universität Bochum (RUB). Los científicos examinaron los mecanismos de ordenamiento intersticial colectivo en aceros Fe-C y determinaron cómo la anarmonicidad y la segregación afectan el mecanismo de ordenamiento y, en consecuencia, el rendimiento del material. Sus hallazgos recientes fueron publicados en Materiales de la naturaleza .

A donde van los átomos de carbono

"Cuando los átomos de carbono entran en la red de acogida de hierro de los aceros martensíticos, se difunden entre los átomos de hierro y no se apoderan de las posiciones de los átomos de hierro en la red del anfitrión. Sin embargo, crean campos de tensión que influyen en toda la red. Comprender el mecanismo del ordenamiento intersticial resultante es clave para diseñar aceros de rendimiento ultraalto a medida que obtienen su fuerza de la formación de martensita. por lo tanto, del ordenamiento intersticial colectivo, "explica el Dr. Tilmann Hickel. Hickel es el jefe del grupo" Estudios de fase computacional "en el MPIE y fue el supervisor principal del Dr. Xie Zhang, el primer autor de la publicación. Cada átomo intersticial, debido a su tamaño e interacción química con los átomos de la red del anfitrión, crea un campo de tensión local que desplaza a los átomos anfitriones vecinos lejos de sus posiciones reticulares originales. "Imagínese insertar un palo de madera en la arena de la playa y observar cómo el palo desplaza los granos de arena que lo rodean. Lo mismo sucede cuando agregamos carbono a la red de acogida de hierro. Los intersticiales de carbono, encontrar su camino a través de la celosía del anfitrión, orden en lugares energéticamente favorables y distorsionar y endurecer la estructura anterior, "explica Hickel. Una alta concentración de intersticiales conduce a fenómenos de ordenamiento / desorden y distorsiones de la red, influyendo así en el rendimiento a granel de los aceros.

El equipo de investigación identificó dos componentes que influyen en el orden intersticial. El primero resulta de la anarmonicidad causada por los campos de tensión en la red de Fe. "Debido a esta anarmonicidad, se reduce la concentración crítica de C para una transformación de orden-desorden. Para comprender el desplazamiento de los átomos de Fe a diferentes distancias, debemos considerar la contribución anarmónica en la posición del primer vecino de un intersticial C, "explica la Dra. Jutta Rogal del Centro Interdisciplinario de Simulación Avanzada de Materiales de la Ruhr-Universität Bochum.

El segundo componente que influye en el ordenamiento intersticial es la segregación de C a defectos extendidos. Esta segregación tiene lugar a concentraciones bajas de C y se suprime a concentraciones altas de C debido a una disminución del potencial químico de C en la martensita ordenada. El potencial químico del C en la martensita Fe-C aumenta gradualmente con el aumento de la concentración de C hasta alcanzar un 0,8% at. Luego, disminuye rápidamente debido a la transición de orden-desorden.

Transición orden-desorden

Ambos componentes, el nivel de anarmonicidad y el comportamiento de segregación, son decisivos para la transición orden-desorden. "Un resultado inesperado del estudio fue que no es suficiente analizar solo la disposición de los átomos de carbono a granel. Más bien, Se produce una fuerte competencia entre la concentración de carbono en la masa y su segregación a defectos extendidos. Solo con esta idea fue posible obtener una comprensión integral de la transición orden-desorden. Esta competencia disminuye con una concentración creciente de intersticiales de carbono, ya que los defectos extendidos pueden incorporar intersticiales solo en una cantidad limitada. La concentración exacta depende de la densidad de los defectos. En nuestros cálculos y confirmado por experimentos, la martensita desordenada es provocada por una concentración de carbono en el rango entre 0.8 at.% y 2.6 at.%. Por encima de 2,6 at.% Se forma martensita ordenada, que proporciona una resistencia superior a los aceros. Por debajo de 0,8 at.%, los átomos de carbono se segregan a dislocaciones en los límites de los granos, "explica el profesor Jörg Neugebauer, director del departamento de Diseño de Materiales Computacionales del MPIE. Los cálculos teóricos se confirmaron mediante microscopía electrónica de transmisión y mediciones de tomografía con sonda atómica realizadas en la Ruhr-Universität Bochum.

En general, la concentración crítica exacta de C depende de la microestructura del material y de la energía de enlace entre C y un defecto extendido específico. El rango de concentración crítica mostrado de 0.8 at.% Y 2.6 at.% No es universal, pero depende de la muestra y sus defectos extendidos. Sin embargo, las concentraciones críticas se pueden calcular con precisión si a) la energía de enlace exacta entre C y el defecto extendido, yb) la concentración máxima de C que puede incluir el defecto extendido, son conocidos. El equipo de MPIE y RUB mostró el papel decisivo que juegan la armonía y la segregación en el mecanismo de ordenamiento intersticial, utilizando las aleaciones de Fe-C como modelo para otros sistemas relevantes. La inclusión de efectos anarmónicos en las transiciones de fase de desorden de orden proporciona un nuevo nivel de modelado de materiales predictivos, allanando el camino para diseñar aceros de ultra alto rendimiento.