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

May 09, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 18954 (2022) Citar este artigo

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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 de densidade de tensão simulada, os padrões virtuais de difração de raios X e a análise da estrutura são comparados com os dados experimentais de difração de raios X in situ de compressão de rampa a laser observados anteriormente. As simulações NEMD mostram que as transições de fase sólido-sólido são consistentes com observações experimentais com uma estrutura cúbica de face centrada compacta (fcc) (111), estrutura hexagonal compactada (hcp) (002) e cúbica de corpo centrado bcc ( 110) planos permanecem paralelos. A análise em nível atômico das simulações NEMD identifica o caminho exato da transformação de fase que ocorre por meio da transformação Bain, enquanto os dados de difração de raios X in situ anteriores não fornecem informações suficientes para deduzir o caminho exato da transformação de fase.

O avanço nas técnicas experimentais melhorou drasticamente nossa compreensão da estabilidade da fase sólida e da transformação da fase sólido-sólido 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 vários materiais sob condições dinâmicas, de alta pressão, choque e quasi- 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 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 de 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 treliça em tântalo chocado a laser8, estabilidade de fase de alta pressão durante a descompressão em nanopartículas de ferrita de zinco9 e caminho de transformação de fase de grafite para diamante hexagonal10 .

Em um trabalho recente de Polsin et al.11, XRD in situ foi utilizado para detectar a estrutura cristalina do Alumínio (Al) sob carga de compressão em rampa. Os autores descobriram que uma transição de fase sólido-sólido, consistente com uma transformação para uma estrutura hexagonal compactada (hcp), ocorre por volta 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 cúbicos de face centrada compactada (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 recentemente emergiu como um tópico importante e interessante na pesquisa de alta pressão11,12,13,14, 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 de XRD in situ não é suficiente para determinar o caminho exato da transformação de fase a partir de experimentos de alta pressão e alta temperatura, uma vez que vários caminhos de transformação podem potencialmente produzir planos paralelos semelhantes durante a transformação15. Com a ajuda da dinâmica molecular de não-equilíbrio (NEMD), a configuração atomística exata da estrutura em cada estágio durante a simulação NEMD do carregamento 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, simulações NEMD fornecerão uma compreensão fundamental dos mecanismos de deformação plástica e do caminho de transformação de fase estrutural e perfis XRD serão usados ​​para verificação experimental.