EO

Nieuwe legeringen nu gemakkelijker te vinden

29 september 2021 om 12:54 uur

Een model op atoomniveau beschrijft de mechanismen waarmee dislocaties de sterke van een legering bepalen (paneel a). Op basis van bekende gegevens (samenstelling, kristalstructuur parameters, elastische constanten) is een analytisch model gemaakt waarmee miljoenen legeringen efficiënt gescreend kunnen worden (paneel b). De screening levert voorspellingen op van de sterkte bij hoge temperaturen van miljoenen hoge-entropie legeringen (paneel c). | Illustratie Francesco Maresca

De eigenschappen van een legering zijn afhankelijk van de samenstelling op atomaire schaal. Maar het aantal mogelijke legeringen is astronomisch. Samen met een internationaal team heeft RUG ingenieur Francesco Maresca een theoretisch model ontwikkeld waarmee hij snel de sterkte bij hoge temperatuur van miljoenen verschillende legeringen kan voorspellen. Experimenten bevestigen dat die voorspellingen kloppen.


Deze bevindingen zijngepubliceerd in Nature Communications.

 

De ontdekking dat ijzer sterker wordt door er wat koolstof aan toe te voegen was een van de stappen die leidden tot de Industriële Revolutie. "Het aanpassen van de samenstelling van een basismetaal door de toevoeging van verschillende elementen, zodat een legering ontstaat, is zeer belangrijk in de geschiedenis van de mensheid", zegt Francesco Maresca, adjunct hoogleraar aan het Engineering and Technology institute Groningen van de RUG. Als civiel ingenieur houdt hij vooral van grote structuren, zoals bruggen. Maar nu bestudeert hij metalen op atomaire schaal, om de beste legeringen te vinden voor specifieke toepassingen.

 

Dislocatie

Maresca is vooral geïnteresseerd in hoge-entropie legeringen, die zo'n twintig jaar geleden voor het eerst zijn beschreven. Dit zijn complexe legeringen met vijf of meer toegevoegde elementen, die allerlei nuttige eigenschappen kunnen hebben. Maar hoe vind je de beste legering? "Er zijn zo'n veertig metalen die niet radioactief of giftig zijn en dus geschikt voor gebruik in legeringen. Daarmee zijn er ruwweg 1078 verschillende samenstellingen. Het is dus onmogelijk om een aanzienlijk deel hiervan te testen door ze te maken."

 

Daarom ging Maresca op zoek naar een goede theorie die belangrijke eigenschappen van hoge-entropie legeringen beschrijft. Een van die eigenschappen is sterkte bij hoge temperatuur, wat belangrijk is voor toepassingen van turbines tot kernreactoren. De kracht van een legering hangt vooral af van de kristalstructuur. "Perfecte kristallen zijn het sterkst, maar die bestaan niet in echte materialen." Een belangrijke factor die sterkte bij hoge temperatuur bepaalt in legeringen van zogeheten kubisch ruimtelijk gecentreerde kristallen is een proces dat schroef-dislocatie heet, waarbij de atomen in een deel van de gelaagde structuur van het kristal een helix-patroon gaan vormen. "Deze dislocaties zijn heel lastige te modelleren op atomaire schaal", zegt Maresca.

 

Samenstelling

Een ander soort defect in deze kristallen is randdislocatie, waarbij een extra laag in de kristalstructuur ontstaat. Maresca: "Er werd aangenomen dat dit type dislocatie geen effect heeft op de sterkte bij hoge temperatuur, op basis van experimenten met zuivere materialen. Maar wij ontdekten dat het wel degelijk de sterkte van complexe legeringen kan beïnvloeden." Randdislocatie is veel eenvoudiger te modelleren, dus maakte Maresca een atomair model voor dit soort dislocaties in hoge-entropie legeringen. Dat vertaalde hij vervolgens naar een script voor het veelgebruikte simulatieprogramma Matlab, waarmee hij de sterkte van miljoenen legeringen bij hoge temperatuur in enkele minuten kan voorspellen.

 

De uitkomst van de simulatie is een grafiek van sterkte uitgezet tegen temperatuur voor de verschillende legeringen. "Met onze resultaten kun je bijvoorbeeld zien welke legeringen je een specifieke sterkte geven bij bijvoorbeeld 1300 graden Kelvin. Op die manier kun je de eigenschappen van materiaal bij hoge temperaturen uitkiezen." De theoretische resultaten zijn te gebruiken om legeringen met nieuwe eigenschappen te maken, of alternatieve samenstellingen voor bestaande legeringen te vinden wanneer bijvoorbeeld een van de benodigde elementen moeilijk te krijgen is. Het model is gevalideerd door twee verschillende legeringen te maken en de voorspelde sterkte in de praktijk te meten. Met experimentele technieken is bovendien bevestigd dat randdeformatie daarvoor inderdaad belangrijk is.

 

Verrassing

"We hebben ook een model gemaakt voor schroefdislocaties, maar dat was te complex voor dezelfde grootschalige en snelle analyse als bij randdeformatie. Dit model bevestigde wel dat schroefdislocatie niet de belangrijkste factor is voor de sterkte van complexe hoge-entropie legeringen. De ontdekking dat juist de randdeformatie belangrijk is was een flinke verrassing en een die een eenvoudige, op theorie gebaseerde methode oplevert om nieuwe complexe legeringen te ontwikkelen."

 

Gerelateerd nieuws

Bolometers opereren bij hogere temperatuur dankzij nieuw supergeleidend materiaal

Bolometers opereren bij hogere temperatuur dankzij nieuw supergeleidend materiaal

Detectoren die bestaan uit een combinatie van een supergeleidende hot electron bolometer (HEB) en een lokale oscillator vormen de werkpaarden van de supra-terahertzastronomie. Deze detectoren bekijken bijvoorbeeld de…

Nieuwe holografische camera kijkt om hoeken en ziet het ongeziene met grote precisie

Nieuwe holografische camera kijkt om hoekjes en ziet het ongeziene met grote precisie

Onderzoekers van de Northwestern University (VS) hebben een nieuwe camera met hoge resolutie uitgevonden die het ongeziene kan zien - ook om hoeken en door verstrooiende media, zoals huid, mist of mogelijk zelfs de…

Nederlander wint James Dyson Award met PlasticScanner (video)

Nederlander wint James Dyson Award met PlasticScanner (video)

TU/D-alumnus Jerry de Vos heeft met zijn Plastic Scanner een handzaam apparaatje ontworpen waarmee je snel kunt zien van welk soort plastic iets gemaakt is. Informatie die belangrijk is voor hergebruik en recycling van…

Webshop

webshop

 

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Focus op

ABB BV
ABB BV

Machineveiligheid, systemen en componenten

Elobau Benelux BV *
Elobau Benelux BV *

creating sustainable solutions

Güdel Benelux
Güdel Benelux

Lineaire aandrijf componenten en oplossingen

Orfa Visser BV
Orfa Visser BV

Gespecialiseerd in Forceren, Dieptrekken, Flenswalsen, Lassen en Apparatenbouw.

Pilz Nederland
Pilz Nederland

Voor industriële (veilige) automatiseringsoplossingen

Rotero Holland BV
Rotero Holland BV

Stappenmotor - Servomotor - Elektro Magneet

Download gratis engineering boeken

A gratis boeken downloaden

 

Agenda

3 december 2021, online

Seminar on the recycing of permanent magnets

This seminar presents a technical and market overview of magnet recycling in the EU, with current R&I...

27 januari 2022, Amsterdam en online

The Things Conference

Conferentie over Lorawan

15 maart 2022, Utrecht

Technishow / Esef

Vakbeurs over smart technology

Meer agendapunten »