Нов физически механизъм, открит в производството на метали

Ваня Милева Последна промяна на 20 октомври 2025 в 00:00 146 0

Компютърна симулация на метална сплав, където атомните сфери са подредени в фини химични модели под мрежа от дислокации, зелени линии.

Кредит Rodrigo Freitas
Компютърна симулация на метална сплав, където атомите (сферите) са подредени в фини химични модели под мрежа от дислокации (зелени линии).

Изследователи са открили ново физическо явление, което обяснява защо химичните структури в металните сплави и метали, произведени по традиционен начин, никога не могат да се смесят напълно равномерен.

Металните сплави рутинно се подлагат на неравновесни процеси по време на производството, като например бързо втвърдяване и термомеханична обработка. Тези сплави имат висока ентропия.

Въпреки че от десетилетия е известно, че в металните сплави съществуват малки химични структури, често се е смятало, че те почти нямат влияние върху свойствата на сплавта.

Но скорошни проучвания показват, че тези структури могат да променят издръжливостта, механичните свойства и устойчивост на метала на радиация в лабораторни условия.

Сега екип от Масачузетския технологичен институт в САЩ демонстрира, че те влияят и върху свойствата на металите, произведени по традиционен начин.

Изследователите предлагат прост модел за прогнозиране на тези химични закономерности в металите, давайки на инженерите допълнителна представа за това как металите се представят в среди като аерокосмическа индустрия, производство на полупроводници и ядрени реакции.

"Това е първата статия, показваща тези неравновесни състояния, които се запазват в метала", отбелязва Родриго Фрейтас (Rodrigo Freitas), доцент в катедрата по материалознание и инженерство в Масачузетския технологичен институт.

"В момента този химичен ред не е нещо, което контролираме или на което обръщаме внимание, когато произвеждаме метали."

Изследователският екип първоначално си е поставил за цел да проучи колко бързо се смесват елементите по време на обработката на метала. Екипът се е надявал, че като намерят точката, в която химичният състав на металите е напълно равномерен, ще могат да проектират прости сплави с различен атомен порядък.

Но докато Фрейтас и екипът продължавали да наблюдават процеса на смесване, те разбират, че сплавите никога не достигат напълно произволно състояние.

"Никога не можете напълно произволно да подредите атомите в един метал. Няма значение как го обработвате", посочва Фрейтас.

Екипът се заел да намери обяснение, създавайки модел, който предсказва как атомите ще се държат при определени условия. Те използвали техника за машинно обучение, за да наблюдават как над един милион атома се движат и организират в процеса на производство на метала.

"Първото нещо, което направихме, бе да деформираме парче метал", разказва Фрейтас.

"Направихме това и проследихме химическия порядък. Идеята бе, че когато се деформира материала, неговите химични връзки се разрушават и това рндомизира системата. Такива интензивни производствени процеси по същество разместват атомите."

Въпреки това, без значение колко деформирани са били металите, атомите никога не са били подредени наистина произволно.

Изследователите използвали статистически модели, за да определят количествено как атомите се подреждат в метала. Някои от откритите химични модели никога не са били наблюдавани извън производствените процеси.

В крайна сметка техният модел разкри обяснение за откритията им.

"Тези дефекти имат химически предпочитания, които ръководят начина им на движение", обяснява Фрейтас.

"Те търсят пътища с ниска енергия, така че ако им се даде избор между разкъсване на химични връзки, те са склонни да разкъсват най-слабите връзки и това не е напълно случайно."

Тези открития са публикувани в Nature Communications.

"Това е много интересно, защото е неравновесно състояние. Не е нещо, което може да се срещне естествено в материалите. По същия начин организмът ни живее в неравновесно състояние. Температурата навън винаги е по-топла или по-студена от тази на телата ни и ние поддържаме това стабилно равновесие, за да останем живи", отбелязва Фрейтас.

"Ето защо тези състояния съществуват в метала: балансът между вътрешен тласък към безпорядък плюс тази тенденция за подреждане, която разрушава определени връзки, които винаги са по-слаби от други."

Фрейтас се надява, че техният модел би могъл да помогне за обяснението на други необясними открития относно свойствата на металите.

"Можете да се сетите за области, където са необходими много оптимизирани сплави, като например аерокосмическата индустрия", посочва Фрейтас.

"Разбирането как атомите всъщност се разместват и смесват в тези процеси е от решаващо значение, защото това е ключът към натрупването на якост, като същевременно се запазва ниската плътност. Така че това може да е от огромно значение за тях."

Екипът вече е насочил вниманието си към по-нататъшно проучване на тези химични закономерности в различни производствени среди.

"Любимата ми част от този проект е колко неинтуитивни са откритията", разказва Фрейтас. "Неочаквано е, че не може напълно да се смеси нещо".

Справка: Islam, M., Sheriff, K., Cao, Y. et al. Nonequilibrium chemical short-range order in metallic alloys. Nat Commun 16, 8926 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-64733-z 

Източник: New physical mechanism discovered in metal manufacturing, Cosmos

Виж още за:
    Най-важното
    Всички новини

    Още от Физика

    Коментари

    За писането на коментар е необходима регистрация.
    Моля, регистрирайте се от TУК!
    Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

    Няма коментари към тази новина !