popularyzatorski opis rezultatów projektu

Nr wniosku: 171740, nr raportu: 18524. Kierownik (z rap.): dr inż. Rafał Babilas
Projekt badawczy pt.: „Modelowanie struktury amorficznej i nanokrystalicznej masywnych szkieł
metalicznych dla uzasadnienia ich własności funkcjonalnych” (2011/03/D/ST8/04138) dotyczył ilościowego
opisu struktury amorficznej i nanokrystalicznej stopów na osnowie metali lekkich oraz
ferromagnetycznych bazującego na połączeniu metod eksperymentalnych z komputerowymi technikami
symulacji i modelowania przestrzennego rozmieszczenia atomów. Identyfikację struktury przeprowadzono
na stopach modelowych należących do reprezentantów szkieł metalicznych typu:
metal-niemetale - stopy na osnowie Fe i Co: Fe80B20, Fe70Nb10B20, Fe62Nb8B30, Fe42Co20Nb8B30,
Co80B20, Co70Fe5Si15B10;
metal-metale - stopy na osnowie Mg i Ca: Mg60Cu30Y10, Mg65Cu20Y10Ni5, Mg65Cu20Y10Zn5,
Ca50Mg20Cu30.
Przeprowadzone badania obejmowały trzy główne etapy:
opracowanie modeli struktury amorficznej badanych stopów przy użyciu symulacji komputerowej
wykorzystując dostępne techniki oparte na metodzie Reverse Monte Carlo (RMC) i dynamiki
molekularnej (MD), ale także przygotowanie specjalnego programu do trójwymiarowej wizualizacji
struktury atomowej, który uwzględniał ilość atomów i ich promienie, klastry atomowe, różne
kombinacje rozmieszczania atomów oraz możliwość obserwacji atomów we „wnętrzu” modelu,
weryfikację opracowanych modeli za pomocą metod eksperymentalnych uwzględniających
badania: pośrednie obejmujące badania rentgenowskie ze źródeł klasycznych oraz synchrotronowych
i neutronowych, spektroskopię mössbauerowską, funkcję rozkładu par atomowych, bezpośrednie
badania struktury za pomocą wysokorozdzielczej elektronowej mikroskopii transmisyjnej,
badania korelacji między strukturą modelową i rzeczywistą a własnościami mechanicznymi
badanych materiałów w oparciu o próbę podjęcia analizy wieloskalowej struktury szkieł metalicznych
wykorzystując metodę elementów skończonych.
W ramach przeprowadzonych prac opisano fizyczne podstawy formowania struktury amorficznej
w szkłach metalicznych uwzględniające warunki uzyskania przechłodzonych cieczy metalicznych oraz ich
przejścia w stan stały z pominięciem etapu zarodkowania i wzrostu faz krystalicznych. Przedstawiono także
główne cechy charakteryzujące strukturę amorficzną szkieł metalicznych obejmujące uporządkowanie
atomów w skali bliskiego i średniego zasięgu, objętość nadmiarową oraz liczby koordynacyjne
i odległości międzyatomowe. Najnowsze próby opisu struktury szkieł metalicznych wykluczają cechy
całkowitej przypadkowości rozmieszczenia atomów, sugerując występowanie w strukturze uporządkowania
atomów w skali bliskiego (Short Range Order) oraz średniego (Medium Range Order) zasięgu.
Szczególną uwagę poświęcono metodologii badania oraz modelowania struktury szkieł metalicznych.
W ramach modelowania zaprezentowano model sztywnych kul oraz wybrane modele klastrowe, a także
wybrane techniki komputerowego modelowania struktury. Próby identyfikacji uporządkowania w skali
bliskiego i średniego zasięgu stanowią nowe podejście do opisu struktury amorficznej, stąd zostały
podjęte oraz opisane w projekcie. Modelowanie komputerowe jest dużym ułatwieniem w opisie struktury
amorficznej, ale trzeba mieć na uwadze to, że może generować wiele prawdopodobnych rozwiązań.
Przyjęta teza badawcza zakładała, że modelem najlepiej opisującym strukturę amorficzną
w szkłach metalicznych jest model klastrów atomowych. Wielkość i budowa klastrów zależą od składu
chemicznego stopów oraz warunków krzepnięcia związanych z technologią odlewania. Tezę badawczą
weryfikowano na podstawie przyjętego programu badawczego obejmującego prace eksperymentalne,
badawcze oraz symulacyjne zmierzające do opracowania oraz weryfikacji kompleksowego modelu
struktury amorficznej.
Zaproponowano modele struktury dla reprezentantów stopów na osnowie Fe oraz Mg w postaci
skrzynek symulacyjnych złożonych z atomów tworzących uporządkowane obszary, które pozwalają na
wyszczególnienie klastrów atomowych. Rozkłady liczb koordynacyjnych wyznaczonych metodą Reverse
Monte Carlo wskazują na występowanie klastrów prawdopodobnie tworzących czworościany,
ośmiościany, pryzmy oraz układy dwudziestościenne. Potwierdzeniem modelu klastrowego były wyniki
analizy obszarów struktury uzyskanych za pomocą wysokorozdzielczej mikroskopii elektronowej, która
umożliwiła wyszczególnienie obszarów uporządkowania atomowego w skali bliskiego (miejsca o wielkości
0,5 nm) oraz średniego zasięgu (miejsca o wielkości 2-3 nm).
Nowością projektu było zastosowanie połączonych metod eksperymentalnych i obliczeniowych
wykorzystujących metody modelowania komputerowego. Modelowanie przeprowadzono w oparciu
o wyniki badań dyfrakcyjnych i mikroskopowych, które zwiększyło prawdopodobieństwo zaproponowanych
modeli struktury. Ponadto, w przypadku szkieł metalicznych na osnowie żelaza w zakresie weryfikacji
wyznaczonych modeli oraz rezultatów opisu uporządkowania struktury w skali bliskiego zasięgu
wykorzystano wyniki badań metodą spektroskopii mössbauerowskiej.