Zirkoniummetalle verformen sich unter extremen Bedingungen auf überraschend komplexe Weise

Materialien sind für die moderne Technologie von entscheidender Bedeutung, insbesondere für den Einsatz in extremen Umgebungen wie Kernenergiesystemen und militärischen Anwendungen. Diese Materialien müssen hohem Druck, hohen Temperaturen und Korrosion standhalten. Das Verständnis ihres Gitterverhaltens unter solchen Bedingungen ist für die Entwicklung von Materialien der nächsten Generation von entscheidender Bedeutung, die widerstandsfähiger, billiger, leichter und nachhaltiger sind.

Wissenschaftler und Mitarbeiter des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) komprimierten Einkristallproben des Metalls Zirkonium und stellten fest, dass sich das Material unter hohem Druck auf überraschend komplexe Weise verformte. Die Forschungsergebnisse erscheinen in zwei Zeitschriften: Briefe zur körperlichen Überprüfung Und Körperliche Überprüfung B.

Materialien unter Hochspannungsbedingungen bauen Scherspannungen durch Mechanismen wie Versetzungsgleiten, kristallografische Zwillingsbildung, scherinduzierte Amorphisierung, Phasenübergang und Bruch ab.

„Das Verständnis dieser mikroskopischen Mechanismen ist für die Entwicklung von Vorhersagemodellen für die Materialleistung von entscheidender Bedeutung“, sagte LLNL-Wissenschaftler Saransh Soderlind, Hauptautor der Studie in Briefe zur körperlichen Überprüfung.

Alle Metalle verformen sich unter Druck plastisch, d. h. sie verändern ihre Form dauerhaft. Dies geschieht hauptsächlich aufgrund der Bewegung von Defekten, sogenannten Versetzungen, auf bestimmten Ebenen in bestimmten kristallografischen Richtungen. Bei Zirkonium kommt noch eine zusätzliche Komplexität hinzu, da sich die Kristallstruktur unter Druck verändert.

„Die genaue Kenntnis der kristallografischen Ebenen und der Richtung, in die sich ein Material verformt, kann es uns ermöglichen, Modelle zu entwickeln, die das mechanische Verhalten von Metallen bei extremer Kompression beschreiben“, sagte Soderlind. „Bei unserer Arbeit an Zirkonium haben wir neue experimentelle Techniken eingesetzt, die gezeigt haben, wie sich elementare Metalle auf unerwartete und hochkomplexe Weise verformen.“

Das Team verwendete Femtosekunden-In-situ-Röntgenbeugung, um das Verhalten von Zirkonium-Einkristallen zu beobachten, die über Nanosekunden-Zeiträume auf hohen Druck komprimiert wurden. Das Team entdeckte das Vorhandensein atomarer Unordnung, ein Phänomen, das bei elementaren Metallen nie beobachtet wurde, und entdeckte mehrere Wege zur Transformation der Kristallstruktur, eine weitere Beobachtung, die es so noch nie gegeben hat.

Diese Unordnung und diese mehrphasigen Übergangswege wurden bei polykristallinem Zirkonium nicht beobachtet, was die Studie noch interessanter macht. Molekulardynamik-Simulationen mit mehreren Millionen Atomen unter Verwendung eines maschinell erlernten Potenzials bestätigten die experimentellen Beobachtungen der Studie.

„Diese Erkenntnisse zeigen ein komplexeres Bild der Verformung von Metallen unter extremen Bedingungen als bisher angenommen. Dieses reichhaltige Muster atomarer Bewegungen ist bei anderen Materialien unter hohem Druck wahrscheinlich üblich“, sagte LLNL-Wissenschaftler Raymond Smith.

Zirkoniumlegierungen werden in der Nuklearindustrie aufgrund der hohen Festigkeit und des geringen Neutronenabsorptionsquerschnitts als Brennstabummantelung verwendet. Zirkonium wird auch häufig in extremen chemischen Umgebungen eingesetzt.