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Predictive Computational Metallurgy

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Nuovi modelli aiutano a creare leghe metalliche più robuste e duttili

Mescolare materiali semiconduttori innovativi rappresenta il fattore chiave per tenere sulla buona strada la legge di Moore, ma le leghe metalliche non hanno ancora subito un simile miglioramento esponenziale nelle prestazioni. Nuovi modelli computazionali che collegano i materiali su differenti scale forniscono la chiave per sviluppare leghe metalliche più forti e durature, che sono molto apprezzate nelle applicazioni ingegneristiche.

Tecnologie industriali
Ricerca di base

I modelli al computer sono sempre più usati in molti settori industriali per aiutare a valutare le prestazioni dei prodotti, la sintesi del materiale e i processi di selezione, in aggiunta alla trasformazione del materiale in componenti. La verifica delle proprietà del materiale non è semplice, dal momento che i fenomeni di fondo abbracciano un’ampia gamma di lunghezze e scale temporali. Il fatto di mettere insieme informazioni a livello quantistico, atomistico, mesoscopico e macroscopico è fondamentale per sviluppare modelli multi-scala che descrivono e persino prevedono il comportamento del materiale. I metallurgisti hanno introdotto una grande varietà di nuove leghe negli ultimi 60 anni. «Lo sviluppo di leghe metalliche nuove o migliori dipende in modo cruciale dalla comprensione completa dei fenomeni fisici fondamentali alla base delle loro notevoli proprietà o, al contrario, dei fattori che influiscono in modo negativo sulle loro proprietà. A causa della complessità, il settore ha visto solo miglioramenti incrementali alle leghe esistenti o miglioramenti fortuiti derivanti da materiali che sono sviluppati in via sperimentale», sottolinea il professor Bill Curtin, coordinatore del progetto PreCoMet finanziato dall’UE. La ricerca svolta dal progetto ha svelato con successo importanti fenomeni fisici che influiscono sulla robustezza e la duttilità di alcune classi di metalli. La strada verso leghe di magnesio più duttili Nella sua forma pura, il magnesio risulta difficile da allungare e modellare, e non possiede inoltre una robustezza sufficiente per molte applicazioni strutturali. I ricercatori di PreCoMet si sono concentrati sull’identificazione delle origini atomistiche di questo insolito comportamento. Simulazioni delle interazioni del magnesio su scala atomica li hanno aiutati a stabilire un quadro che ha messo insieme decenni di sperimentazioni sulle proprietà macroscopiche del materiale. «I difetti atomistici chiave, chiamati dislocazioni, sono il “vettore” della deformazione plastica; essi consentono ai piani dei cristalli vicini di scivolare gli uni sugli altri. Tuttavia, abbiamo notato un comportamento insolito al momento di studiare la struttura di una importante dislocazione, che ha iniziato a trasformarsi in varie possibili geometrie che l’hanno bloccata in modo che non si potesse spostare. Queste nuove strutture erano state osservate in modo sperimentale in precedenza, ma erano state considerate come anomalie sperimentali», spiega il prof. Curtin. I ricercatori hanno dimostrato che questa struttura inamovibile è intrinseca al magnesio e contribuisce alla sua bassa duttilità. Il team ha poi scoperto che l’aggiunta di elementi delle terre rare quali ad esempio ittrio, neodimio e gadolinio, persino a basse concentrazioni, incrementa notevolmente il numero di dislocazioni movibili e di conseguenza migliora la duttilità del magnesio. Usando questi modelli, il team ha previsto nuove leghe con buone proprietà di duttilità, evitando l’uso di elementi delle terre rare meno vantaggiosi. Eliminare le congetture per le nuove leghe ad alta entropia Formata da molteplici elementi, la nuova classe di leghe ad alta entropia è molto ambita, tra le altre cose, per la sua elevata robustezza e alta resistenza alla rottura in un’ampia gamma di temperature. Nonostante 70 anni di esperimenti, non si disponeva di modelli che fossero in grado di prevedere con precisione la robustezza di una lega, persino in strutture semplici in cui domina un singolo elemento. I ricercatori hanno ampliato il loro lavoro in vista della modellizzazione di classi di leghe che possiedono due strutture cristalline comuni, a prescindere dal numero di elementi nonché dalle loro concentrazioni. Usando i loro modelli, possono riuscire a prevedere la robustezza di molte leghe basandosi su alcune proprietà atomiche fondamentali. «Possiamo ora progettare nuove leghe ad alta robustezza, mai realizzate fino ad ora. Visto il grande numero di possibili combinazioni per la composizione, questa è un’impresa notevole, poiché è difficile per gli scienziati dei materiali sapere dove cercare nuove leghe ad alta entropia», conclude il prof. Curtin. Il lavoro del progetto potrebbe aiutare gli ingegneri a sviluppare leghe speciali per un’ampia gamma di applicazioni, dal settore aerospaziale fino all’industria automobilistica e a quella biomedicale.

Parole chiave

PreCoMet, modello, magnesio, lega ad alta entropia, lega metallica, duttilità, dislocazione, elemento delle terre rare

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