Stabilizzazione della crescita del precipitato ai confini del grano nelle leghe

I materiali sono spesso considerati costituiti da una sola fase, ma molti materiali tecnici contengono due o più fasi, il che ne migliora le proprietà e le prestazioni. Questi materiali a due fasi presentano inclusioni, chiamate precipitati, incastonate nella microstruttura. Le leghe, una combinazione di due o più tipi di metalli, sono utilizzate in molte applicazioni, come turbine per motori a reazione e leghe leggere per applicazioni automobilistiche, perché hanno ottime proprietà meccaniche grazie ai precipitati incorporati. La dimensione media del precipitato, tuttavia, tende ad aumentare nel tempo, in un processo chiamato ingrossamento, che si traduce in un degrado delle prestazioni per le microstrutture con precipitati su scala nanometrica.

Ricercatori dell'Università dell'Illinois Urbana-Champaignhanno individuato un nuovo percorso per stabilizzare i precipitati su scala nanometrica nelle leghe. In un nuovo studio, il professore di scienza dei materiali e ingegneria Pascal Bellon, il ricercatore post-dottorato Gabriel Bouobda Moladje e i loro collaboratori dimostrano che è possibile utilizzare processi di non equilibrio per fermare l’ingrossamento dei precipitati, che si traduce in nanostrutture stabili.

I risultati di questa ricerca sono stati recentemente pubblicati su Physical Review Letters.

"Negli ultimi due decenni, i ricercatori si sono resi conto che la presenza di inclusioni su scala nanometrica nella struttura può effettivamente essere molto vantaggiosa per il materiale", afferma Bellon. “La sfida è che spontaneamente queste piccole particelle vogliono diventare più grandi”.

Immaginatelo come fare la pasta: quando si aggiunge olio all'acqua bollente, le gocce di olio possono essere piccole quando vengono aggiunte e mescolate per la prima volta, ma se si interrompe l'agitazione, le goccioline si uniranno insieme per formare gocce più grandi. Questo è il processo di ingrossamento. "Se siamo interessati alla distribuzione di oggetti su piccola scala, dobbiamo lavorare contro questa tendenza naturale a rendere le cose più grossolane", spiega Bellon.

Il team ha utilizzato la modellazione computazionale per studiare i precipitati formati nei domini tra i diversi cristalli del materiale, chiamati confini dei grani, quando sottoposti a irradiazione, una forza di non equilibrio. In un ambiente di equilibrio, le forze sono bilanciate e non vi è alcun cambiamento netto nel materiale. Nella maggior parte delle applicazioni, tuttavia, i materiali duri sono soggetti a forze di non equilibrio come l'irradiazione o addirittura l'agitazione. Pertanto, è importante capire come si evolvono i precipitati in tali ambienti di non equilibrio.

"Eravamo particolarmente interessati alle leghe soggette a irradiazione di particelle energetiche", afferma Bellon. “Questa è una situazione che, ad esempio, si verifica nei materiali utilizzati per applicazioni nucleari. È anche il caso dei materiali utilizzati nello spazio, dove vengono bombardati dai raggi cosmici. Ciò che stavamo esaminando specificamente era una lega modello di alluminio e antimonio.

Nelle leghe di alluminio e antimonio, l'antimonio vuole formare precipitati, come l'olio vuole formare goccioline nell'acqua. I ricercatori hanno scoperto che, una volta irradiati, si formavano dei precipitati ai bordi dei grani, come previsto. Ma hanno anche scoperto che invece di ingrossarsi e continuare a crescere, i precipitati raggiungevano una certa dimensione e si fermavano. Questo si chiama comportamento di grossolanità arrestato ed è stato un risultato inaspettato.

Questo approccio potrebbe essere applicato ad altri sistemi di materiali in cui il trasporto di specie gioca un ruolo importante, come il trasporto di specie ioniche tra gli elettrodi nelle batterie. Nei materiali delle batterie può essere vantaggioso avere piccoli precipitati, poiché i precipitati di grandi dimensioni possono generare notevoli sollecitazioni sul materiale. In tal caso, la soppressione dell’ingrossamento sarebbe vantaggiosa.

A seguito di questa ricerca computazionale, Bellon, insieme ai professori Robert Averback e Marie Charpagne dell’UIUC MatSE, intendono iniziare a esplorare la validazione sperimentale dei risultati recentemente pubblicati. Bellon afferma: "Siamo entusiasti di combinare modellizzazione, teoria ed esperimenti, sfruttando al tempo stesso tutti gli strumenti del Laboratorio di ricerca sui materiali, per testare le previsioni delle simulazioni al computer a livello sperimentale".