Caminho de transformação de fase em Alumínio sob compressão em rampa; simulação e estudo experimental

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 18954 (2022) Citar este artigo

855 acessos

3 citações

Detalhes das métricas

Apresentamos uma estrutura baseada em dinâmica molecular de não-equilíbrio (NEMD) para reproduzir o evento de transformação de fase do Alumínio sob carga de compressão de rampa. A resposta simulada de densidade de tensão, padrões virtuais de difração de raios X e análise de estrutura são comparados com os dados experimentais de difração de raios X in-situ de compressão de rampa acionados por laser observados anteriormente. As simulações NEMD mostram que as transições de fase sólido-sólido são consistentes com observações experimentais com uma estrutura cúbica compacta de face centrada (fcc) (111), estrutura hexagonal compacta (hcp) (002) e cúbica centrada no corpo bcc ( 110) planos permanecendo paralelos. A análise em nível atômico das simulações NEMD identifica o caminho exato de transformação de fase que ocorre através da transformação de Bain, enquanto os dados anteriores de difração de raios X in situ não forneceram informações suficientes para deduzir o caminho exato de transformação de fase.

O avanço nas técnicas experimentais melhorou drasticamente nossa compreensão da estabilidade da fase sólida e da transformação da fase sólido-sólida sob alta pressão. O desenvolvimento de pistola de gás1, potência pulsada2 e drivers de laser3, combinados com difração de raios X in situ (XRD)4,5, revelou a estrutura e as informações de fase de numerosos materiais sob condições dinâmicas, de alta pressão, de choque e quase. compressão isentrópica com taxas de deformação variando de 104 a 108 s−1. O XRD in situ é capaz de capturar os cones de difração de Debye-Scherrer da amostra em diferentes pressões e projetar esses cones de difração no espaço \(2\theta -\phi\), onde o ângulo de Bragg \(\theta\) é o ângulo entre o feixe de raios X e a família de planos da rede e \(\phi\) é o ângulo azimutal em torno da direção do raio X incidente. O perfil \(2\theta\) pode ser usado para calcular a distância interplanar de acordo com a lei de Bragg6. O ângulo \(\chi\), que é o ângulo entre a norma da amostra e a norma do plano, pode ser calculado usando a equação7 \(\mathrm{cos}\left(\chi \right)=\mathrm{cos}\left( \phi \right)/\mathrm{cos}(\theta )\) e usado para avaliar a textura cristalográfica durante a transformação de fase rastreando quais planos permanecem paralelos. Esta técnica foi aplicada com sucesso para entender a física de alta temperatura/alta pressão, como geminação e dinâmica de rede em tântalo chocado acionado por laser, estabilidade de fase de alta pressão durante a descompressão em nanopartículas de ferrita de zinco e caminho de transformação de fase de grafite para diamante hexagonal. .

Em um trabalho recente de Polsin et al.11, DRX in situ foram utilizados para detectar a estrutura cristalina do Alumínio (Al) sob carga de compressão de rampa. Os autores descobriram que uma transição de fase sólido-sólida, consistente com uma transformação para uma estrutura hexagonal compacta (hcp), ocorre em torno de 216 GPa, enquanto uma transformação para uma estrutura consistente com a estrutura cúbica de corpo centrado (bcc) ocorre a 320 GPa. Os resultados do XRD in situ sugeriram que os planos cúbico centrado na face (fcc) (111), hcp (002) e bcc (110) permanecem paralelos através das transformações sólido-sólido fcc-hcp e hcp-bcc. No entanto, o mecanismo e o caminho da transformação de fase na compressão dinâmica, que emergiu recentemente como um tópico importante e interessante na pesquisa de alta pressão, permanecem obscuros. Experimentalmente, isso exigiria medições de difração resolvidas no tempo durante a compressão de choque/rampa acionada por laser, o que é tecnicamente desafiador. No entanto, mesmo a cristalografia XRD in situ não é suficiente para determinar a via exata de transformação de fase a partir de experimentos de alta pressão e alta temperatura, uma vez que múltiplos caminhos de transformação podem potencialmente produzir planos paralelos semelhantes durante a transformação . Com a ajuda da dinâmica molecular de não-equilíbrio (NEMD), a configuração atomística exata da estrutura em cada estágio durante a simulação NEMD de carga em rampa pode ser determinada no nível atomístico. Os perfis XRD virtuais também podem ser facilmente obtidos e comparados diretamente com experimentos para verificar as simulações. Assim, as simulações NEMD fornecerão uma compreensão fundamental dos mecanismos de deformação plástica e da via de transformação de fase estrutural e os perfis de XRD serão utilizados para verificação experimental.