Så här elastiskt är stål

Publicerad 2011-12-01

Att genom experiment med enkristaller kunna fastslå de elastiska egenskaperna hos stål är en svår uppgift. Men nu har en forskargrupp från KTH lyckats utveckla nya teoretiska metoder för att binda egenskaperna till stålets elektroniska och magnetiska struktur.

Beräknat elasticitetsmodul av järn som funktion av kristallografisk riktning i a) starkt magnetiskt (ferromagnetiskt) tillstånd och b) svagt magnetiskt (paramagnetiskt) tillstånd.

Under ett mikroskop kan stål se ut att bestå av många olika kristallkorn. Det är den mikrostrukturen som gör stålet elastiskt på samma sätt i alla riktningar, på ett jämnt (isotropt) sätt.

Men som illustrationen här visar kan de elastiska egenskaperna hos ett enda korn av stål också vara mycket anisotropa, det vill säga kornet kan vara elastiskt på olika sätt åt olika håll.

Mikroskopiska defekter som bildas inuti varje korn, exempelvis till följd av strålskador eller plastisk deformation, kan interagera med varandra via de anisotropa elastiska fälten.

 

– Kunskapen om det elastiska samspelet är viktig för utvecklingen av nya byggnadsmaterial, som bland annat reaktorstål, berättar forskaren Pavel Korzhavyi, teknologie doktor vid Institutionen för Materialvetenskap på KTH.

 

Tillsammans med doktoranden Vsevolod Razumovskiy och professor Andrei Ruban har Pavel Korzhavyi nyligen fått sina banbrytande forskningsrön publicerade i Physical Review Letters.

– I vårt senaste beräkningsstudier tillämpade vi den nya tekniken för att se elasticiteten hos järn- och järn/krom-legeringar, säger Pavel Korzhavyi.

Enligt den nya teoretiska metoden har den beräknade elasticitetsmodulen hos rent järn ritats in i figuren som riktmärke. Den kompletta figuren visar att elasticiteten i olika riktningar (anisotropin) är relativt svag hos järnkristallen vid låga temperaturer (a), då magnetismen är stark (ferromagnetisk).

Men vid hög temperatur, då magnetismen är mycket svag (paramagnetisk), blir anisotropin i stället mycket stark (b), i det läge då järnatomernas magnetiska moment har blivit störda och oordnade.

För mer information, kontakta Pavel Korzhavyi, 08-790 91 93, eller pavel@mse.kth.se.

Katarina Ahlfort

[1]. V.I. Razumovskiy, A.V. Ruban, and P.A. Korzhavyi, First-principles study of elastic properties of Cr- and Fe-rich Fe-Cr alloys, Phys. Rev. B 84, 024106 (2011).

http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.84.024106

 

[2]. V.I. Razumovskiy, A.V. Ruban, and P.A. Korzhavyi, Effect of temperature on the elastic anisotropy of pure Fe and Fe90Cr10 random alloy, Phys. Rev. Lett. 107, 205504 (2011).

http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.107.205504

[3]. Hero-m Center of Excellence http://www.hero-m.mse.kth.se/