Percorso di trasformazione di fase in Alluminio sotto compressione a rampa; simulazione e studio sperimentale

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 18954 (2022) Citare questo articolo

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Presentiamo un quadro basato sulla dinamica molecolare di non equilibrio (NEMD) per riprodurre l'evento di trasformazione di fase dell'alluminio sotto carico di compressione a rampa. La risposta simulata alla densità di stress, i modelli di diffrazione dei raggi X virtuali e l'analisi della struttura vengono confrontati con i dati sperimentali di diffrazione dei raggi X in situ con compressione a rampa sperimentali precedentemente osservati. Le simulazioni NEMD mostrano che le transizioni di fase solido-solido sono coerenti con le osservazioni sperimentali con una struttura cubica a facce centrate (fcc) (111), struttura esagonale a impaccamento chiuso (hcp) (002) e cubica a corpo centrato bcc ( 110) piani che rimangono paralleli. L'analisi a livello atomico delle simulazioni NEMD identifica l'esatto percorso di trasformazione di fase che avviene tramite la trasformazione di Bain mentre i precedenti dati di diffrazione di raggi X in situ non fornivano informazioni sufficienti per dedurre l'esatto percorso di trasformazione di fase.

Il progresso nelle tecniche sperimentali ha migliorato drasticamente la nostra comprensione della stabilità della fase solida e della trasformazione di fase solido-solido ad alta pressione. Lo sviluppo di cannoni a gas1, potenza pulsata2 e driver laser3, combinato con la diffrazione di raggi X in situ (XRD)4,5, ha svelato la struttura e le informazioni di fase di numerosi materiali sottoposti a condizioni dinamiche, ad alta pressione, shock e quasi- compressione isoentropica con velocità di deformazione comprese tra 104 e 108 s−1. L'XRD in situ è ​​in grado di catturare i coni di diffrazione Debye-Scherrer del campione a pressioni diverse e proiettare questi coni di diffrazione nello spazio \(2\theta -\phi\), dove l'angolo di Bragg \(\theta\) è l'angolo tra il fascio di raggi X e la famiglia dei piani reticolari e \(\phi\) è l'angolo azimutale attorno alla direzione dei raggi X incidenti. Il profilo \(2\theta\) può essere utilizzato per calcolare la distanza interplanare secondo la legge di Bragg6. L'angolo \(\chi\), che è l'angolo tra la norma del campione e la norma del piano, può essere calcolato utilizzando l'equazione7 \(\mathrm{cos}\left(\chi \right)=\mathrm{cos}\left( \phi \right)/\mathrm{cos}(\theta )\) e utilizzato per valutare la struttura cristallografica durante la trasformazione di fase monitorando quali piani rimangono paralleli. Questa tecnica è stata applica .

In un recente lavoro di Polsin et al.11, gli XRD in situ sono stati utilizzati per rilevare la struttura cristallina dell'alluminio (Al) sotto carico di compressione a rampa. Gli autori hanno scoperto che una transizione di fase solido-solido, coerente con una trasformazione in una struttura esagonale compatta (hcp), avviene a circa 216 GPa, mentre una trasformazione in una struttura coerente con la struttura cubica a corpo centrato (bcc) avviene a 320 GPa. I risultati dell'XRD in situ hanno suggerito che i piani cubici a facce centrate (fcc) (111), hcp (002) e bcc (110) ravvicinati rimangono paralleli attraverso le trasformazioni solido-solido fcc-hcp e hcp-bcc. Tuttavia, il meccanismo e il percorso della trasformazione di fase in seguito alla compressione dinamica, che recentemente è emerso come un argomento importante e interessante nella ricerca sull'alta pressione11,12,13,14, rimangono poco chiari. Sperimentalmente, ciò richiederebbe misurazioni di diffrazione risolte nel tempo durante la compressione shock/rampa guidata dal laser, il che è tecnicamente impegnativo. Tuttavia, anche la cristallografia XRD in situ non è sufficiente per determinare l'esatto percorso di trasformazione di fase da esperimenti ad alta pressione e alta temperatura, poiché più percorsi di trasformazione possono potenzialmente produrre piani paralleli simili durante la trasformazione15. Con l'aiuto della dinamica molecolare di non equilibrio (NEMD), l'esatta configurazione atomistica della struttura in ogni fase durante la simulazione NEMD del carico di rampa può essere determinata a livello atomistico. I profili XRD virtuali possono anche essere facilmente ottenuti e confrontati direttamente con gli esperimenti per verificare le simulazioni. Pertanto, le simulazioni NEMD forniranno una comprensione fondamentale dei meccanismi di deformazione plastica e del percorso di trasformazione della fase strutturale e i profili XRD verranno utilizzati per la verifica sperimentale.