Modellering av koncentrerade flerkomponent-legeringssystem på atomär skala

Forskningsprojekt, 2012 – 2015

Metallurgi, har funnits lika länge som, och är en av grundpelarna i, den moderna teknologiska utvecklingen. Trots detta och dess avgörande roll för praktiskt tagit alla tillverkade produkter av betydelse; från bilar och flygplan, enorma magneter för mediciniska tillämpningar, till behållare för förvaring av kärnbränsle och golfklubbor; så är vår vetenskapliga förståelse av ämnet ännu outvecklad. Faktum är att nästan alla framsteg under det senaste århundradet, från oxid-dispersion-stärkt stål och superplast-legeringar till metalliska glaser, har varit resultatet av en väl utvecklad "trial-and-error" metod som, inte oförtjänt, givit disciplinen smeknamnet "the science of heating and beating". Metall-legeringars egenskaper är starkt beroende av materialets interna struktur, vilken kan förändras dramatiskt både av hetta och mekanisk bearbetning. Materialen är följaktligen exceptionellt mångsidiga och mycket lätta att anpassa till olika användningsområden. Ändå indikerar den stora variationen att designen av materialen är komplex och på grund av de oändliga variationsmöjligheterna snabbt kan bli en övervädigande uppgift. Allt eftersom de teknologiska framstegen fortsätter att pressa gränserna för de nuvarande materialen blir designen av legeringarna allt svårare och kräver allt mer detaljerad förståelse för de mikroskopiska egenskaper och mekanismer som kontrollerar en given legerings prestation. Detta behov av ytterligare förståelse utgör grunden för det föreliggande förslaget. Vår avsikt är att göra modeller av legeringarnas egenskaper genom att beakta de interaktioner mellan individuella atomer som förekommer på så små avstånd som en biljondel av en meter. Med hjälp av några av Sveriges kraftfullaste datorer kommer vi att kunna simulera materialens strukturer och beteenden vid temperaturer och tryck som är mycket svårare eller till och med omöjliga att uppnå experimentellt. Med andra ord kommer vi att få tillgång till ett "supermikroskop" som inte bara kan belysa individuella atomer, utan också synliggöra extremt snabba processer i materialen. Detta tillvägagångssätt är således mycket väl lämpat för problem inom legerings design eftersom det som sagt är en legerings mikrostruktur som ligger till grund för dess häpnadsväckande mångsidighet. Baserat på resulaten av våra studier förväntar vi oss till exempel att kunna lägga grunden till utveckling av legeringar med överlägsen termisk stabilitet i kombination med excellenta mekaniska egenskaper, vilket skulle göra det möjligt för dem att tygla en extrem miljö inuti en framtida fusions-reaktor. I bästa fall kommer våra simulationer att göra mycket dyrare och mer tidskrävande experiment överflödiga, och därmed snabba på utveckligen av framgångsrik material design.