Anyagtervezés első elvekből

Az MTA Szilárdtestfizikai és Optikai Kutatóintézet Szilárdtest Elméleti Osztályának kutatói az elmúlt négy év alatt befejezték az EMTO (exact muffin-tin orbitals) elméleten alapuló módszer kidolgozását. Az új módszerrel első alkalommal nyílt lehetőség a két- vagy többkomponensű rendezetlen ötvözetek tömbi (pl. állapotegyenlet, kristályszerkezet, rugalmas állandók, rácshibák) és felületi (pl. felületi szegregáció, felületi energia, felületi feszültség) tulajdonságainak ab initio tanulmányozására. A kapott eredményeket az alábbi példák szemléltetik.

A Fe-Cr-Ni ötvözetek tömbi tulajdonságai. - Az EMTO módszer felhasználásával elsőként alkalmazták a sűrűségfunkcionál elméletet az ausztenites (rozsdamentes) acélötvözetek tömbi tulajdonságainak meghatározására. Többek között kiszámolták a lapcentrált köbös Fe-Cr-Ni ötvözet egyensúlyi térfogatát, rugalmas állandóit, szerkezeti stabilitását, polikristályos rugalmas tulajdonságait (1. ábra), valamint a rétegződési hibák képződési energiáját (2. ábra).

EMTO1 EMTO2

1. ábra Paramágneses Fe-Cr-Ni ötvözetek nyírási rugalmas állandója.

2. ábra A rétegződési hibák képződési energiájának mágneses járuléka paramágneses Fe-Cr-Ni ötvözetekben.

Az eredmények kiértékelésekor kiderült, hogy szobahőmérsékleten a Ni-szegény Fe-Cr-Ni ötvözetekben az ausztenites fázist a rendezetlen mágneses momentumok stabilizálják. Továbbá a mágneses momentumok felelősek a rétegződési hibák képződési energiájának kísérletileg észlelt és az elméleti számolásokkal alátámasztott erős hőmérsékletfüggéséért. Ezek az eredmények különös figyelmet érdemelnek, mivel korábban a paramágneses ausztenites acélok fél-empirikus modellezésénél a mágnességet többnyire elhanyagolták.

EMTO3

A Fe-Cr ötvözetek tömbi és felületi tulajdonságai. - Az EMTO módszer alkalmazásával elsőként mutatták meg, hogy alacsony hőmérsékleten kb. 5% Cr oldható fel a ferromágneses tércentrált köbös Fe-ban, ugyanakkor az oldhatósági határ gyakorlatilag nulla a paramágneses fázisban. Ennek az anomális viselkedésnek fontos következményei vannak a Fe-Cr ötvözetek (ferrites acél) rugalmas és felületi tulajdonságaira. A kevesebb, mint 10% Cr tartalmú Fe-Cr ötvözetekben a felület csak vasat tartalmaz, viszont ha az ötvözet 10%-nál több krómot tartalmaz, akkor a Cr egy része szegregálódik a felületre (3. ábra). A két tartomány létezése a ferromágneses Fe atomokhoz antiferromágnesesen csatolt Cr atomok közti erős taszító kölcsönhatás (mágneses frusztráció) következménye. Ez az eredmény az egyik lehetséges magyarázat a Fe-Cr ötvözetek rozsdamentes viselkedésében kísérletileg tapasztalt átmenetre.

3. ábra Ferromágneses Fe-Cr ötvözetek

Fe-alapú ötvözetek a Föld magjában. - Megvizsgálták a Fe-Ni ötvözet szerkezetét nagy nyomáson (200-350 GPa) és megmutatták, hogy 10% Ni 230 GPa-on 32 meV-tal, míg 350 GPa-on 41 meV-tal stabilizálja a tércentrált köbös fázist a hexagonális fázishoz képest. Ebből arra lehetett következtetni, hogy a Föld magjában a Fe-Ni tércentrált köbös fázisban van jelen, magyarázatot adva ezzel a mag szeizmikus hullámok segítségével megbecsült anizotrópiájára. Hasonló számolást végeztek a Fe-Mg ötvözetrendszerre. Normál körülmények között a Fe és a Mg nem alkot szilárd oldatot. Megmutatták, hogy a nyomás növelésével a Mg térfogata erősen csökken, ami megnöveli a két elem kölcsönös oldhatóságát és 100 GPa felett már számottevő mennyiségű Mg (~10%) oldható fel a hexagonális vasban. Eredményeiknek köszönhetően a korábban teljesen elhanyagolt Mg újból felkerült a lehetséges elemek listájára a Föld belső magjában.

A kapott eredményeket 100 cikkben, 2 angol nyelvű könyvben és 5 könyvrészletben publikálták. A cikkek közül egy jelent meg a Nature-ben, kettő a Nature Materials-ben, egy pedig a Science-ben.