Trasformazione di fase in tantalio sotto deformazione laser estrema

Rapporti scientifici volume 5, numero articolo: 15064 (2015) Citare questo articolo

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La risposta strutturale e meccanica dei metalli è intimamente connessa alle trasformazioni di fase. Ad esempio, il prodotto di una trasformazione di fase (martensite) è responsabile della straordinaria gamma di resistenza e tenacità dell'acciaio, rendendolo un materiale strutturale versatile e importante. Sebbene abbondante in metalli e leghe, la scoperta di nuove trasformazioni di fase non è attualmente un evento comune e spesso richiede un mix di sperimentazione, calcoli predittivi e fortuna. I laser pulsati ad alta energia consentono l’esplorazione di pressioni e temperature estreme, dove potrebbero trovarsi tali scoperte. La formazione di una fase esagonale (omega) è stata osservata nel tantalio cubico a corpo centrato monocristallino recuperato di quattro orientazioni cristallografiche sottoposto a un regime estremo di pressione, temperatura e velocità di deformazione. Ciò è stato ottenuto utilizzando laser pulsati ad alta energia. La fase omega e il gemellaggio sono stati identificati mediante microscopia elettronica a trasmissione a 70 GPa (determinata da un corrispondente esperimento VISAR). Si propone che le sollecitazioni di taglio generate dallo stato di deformazione uniassiale di compressione d'urto svolgano un ruolo essenziale nella trasformazione. Le simulazioni di dinamica molecolare mostrano la trasformazione di piccoli noduli da una struttura cubica a corpo centrato a una struttura esagonale compatta sotto lo stesso stato di stress (pressione e taglio).

Le transizioni di fase sono della massima importanza nel determinare e controllare le proprietà dei materiali. Il tantalio è un modello di metallo cubico a corpo centrato (BCC); la sua elevata stabilità di fase con l'aumento della pressione e della temperatura1 ha consentito ai ricercatori di esplorare la plasticità senza complicazioni legate ai cambiamenti di fase.

Tuttavia, è in corso una disputa sperimentale e teorica riguardo al polimorfismo ad alta pressione e alta temperatura nel tantalio. Burakovsky et al.2 hanno condotto simulazioni ab initio che prevedevano l'esistenza di una fase omega (ω) nel regime ad alta pressione-temperatura del Ta monocristallino (superiore a ~70 GPa). Utilizzando un modello basato sulla teoria del funzionale della densità e uno pseudopotenziale generalizzato, Haskins et al.3 hanno identificato un effetto dimensionale per la fase esagonale. Shang et al.4 hanno calcolato sistematicamente le pressioni di transizione di fase per 76 solidi elementari compreso il tantalio puro, menzionando una transizione fcc-hcp a 67,5 e 285 GPa utilizzando un metodo dell'onda aumentata dal proiettore all'interno di un'approssimazione del gradiente generalizzata. Sperimentalmente, Hsiung e Lassila5,6,7,8 hanno osservato i gemelli e la fase ω nel Ta puro e in una lega Ta-W. La transizione di fase da bcc a esagonale si è verificata nella lega Ta-10 W a circa 30 GPa e nel Ta policristallino a 45 GPa con una durata del carico di 1,8 μs. Hsiung e Lassila7,8 hanno proposto un meccanismo, indicando che la pressione d'urto porta alla trasformazione basata sul taglio in tantalio dalla fase bcc alla fase ω. La possibile esistenza della fase ω è stata ampiamente discussa in letteratura e vi è un notevole grado di incertezza riguardo alla sua formazione e stabilità in relazione alle impurità e agli effetti ai bordi dei grani.

L'obiettivo di questo rapporto è descrivere le osservazioni di una trasformazione di fase solido-solido nel tantalio monocristallino con diversi orientamenti ([001], [110], [111], [123]), shock compresso a durate molto brevi (~ 3 ns ) e velocità di deformazione elevata (~ 108 s−1) in uno stato di deformazione uniassiale. Queste osservazioni sono supportate da simulazioni di dinamica molecolare, rendendolo un valido caso di transizione di fase, nucleata nel regime estremo di alta pressione, deformazione di taglio e velocità di deformazione generati dalla compressione laser pulsata ad alta energia. Lo stato di stress estremo è stato creato da sei impulsi laser incidenti simultanei che generavano un'onda di pressione che penetrava in una capsula dove era posizionato un provino di tantalio (Fig. 1); i dettagli sono forniti nella sezione Metodi.