Transformación de fase en tantalio bajo deformación láser extrema

Scientific Reports volumen 5, Número de artículo: 15064 (2015) Citar este artículo

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La respuesta estructural y mecánica de los metales está íntimamente relacionada con las transformaciones de fase. Por ejemplo, el producto de una transformación de fase (martensita) es responsable de la extraordinaria variedad de resistencia y tenacidad del acero, lo que lo convierte en un material estructural versátil e importante. Aunque abundante en metales y aleaciones, el descubrimiento de nuevas transformaciones de fase no es un evento común actualmente y, a menudo, requiere una combinación de experimentación, cálculos predictivos y suerte. Los láseres pulsados de alta energía permiten la exploración de presiones y temperaturas extremas, donde pueden estar tales descubrimientos. Se observó la formación de una fase hexagonal (omega) en tantalio cúbico centrado en el cuerpo monocristalino recuperado de cuatro orientaciones cristalográficas sometido a un régimen extremo de presión, temperatura y velocidad de deformación. Esto se logró utilizando láseres pulsados de alta energía. La fase omega y el hermanamiento se identificaron por microscopía electrónica de transmisión a 70 GPa (determinado por un experimento VISAR correspondiente). Se propone que los esfuerzos cortantes generados por el estado de deformación uniaxial del choque de compresión juegan un papel esencial en la transformación. Las simulaciones de dinámica molecular muestran la transformación de pequeños nódulos de una estructura cúbica centrada en el cuerpo a una estructura compacta hexagonal bajo el mismo estado de tensión (presión y cizallamiento).

Las transiciones de fase son de suma importancia para determinar y controlar las propiedades de los materiales. El tantalio es un modelo de metal cúbico centrado en el cuerpo (BCC); su alta estabilidad de fase con el aumento de la presión y la temperatura1 ha permitido a los investigadores explorar la plasticidad sin complicaciones relacionadas con los cambios de fase.

Sin embargo, existe una disputa experimental y teórica en curso con respecto al polimorfismo de alta presión y alta temperatura en el tantalio. Burakovsky et al.2 realizaron simulaciones ab initio que predijeron la existencia de una fase omega (ω) en el régimen de alta presión-temperatura de Ta monocristalino (por encima de ~70 GPa). Utilizando un modelo basado en la teoría funcional de la densidad y un pseudopotencial generalizado, Haskins et al.3 identificaron un efecto de tamaño para la fase hexagonal. Shang et al.4 calcularon sistemáticamente las presiones de transición de fase para 76 sólidos elementales, incluido el tantalio puro, y mencionaron una transición fcc-hcp a 67,5 y 285 GPa mediante el uso de un método de onda aumentada por proyector dentro de una aproximación de gradiente generalizada. Experimentalmente, Hsiung y Lassila5,6,7,8 observaron maclas y la fase ω en Ta puro y una aleación Ta-W. La transición de fase bcc a hexagonal ocurrió en la aleación Ta-10 W a aproximadamente 30 GPa y en Ta policristalino a 45 GPa con una duración de carga de 1,8 μs. Hsiung y Lassila7,8 propusieron un mecanismo que indica que la presión de choque conduce a una transformación basada en cizalla en el tantalio de la fase bcc a la ω. La posible existencia de la fase ω se ha discutido extensamente en la literatura y existe un grado considerable de incertidumbre en cuanto a su formación y estabilidad en relación con las impurezas y los efectos de límite de grano.

El objetivo de este informe es describir las observaciones de una transformación de fase sólido-sólido en tantalio monocristalino con diferentes orientaciones ([001], [110], [111], [123]), choque comprimido en duraciones muy cortas (~3 ns ) y alta velocidad de deformación (~108 s−1) en un estado de deformación uniaxial. Estas observaciones están respaldadas por simulaciones de dinámica molecular, lo que hace de este un caso poderoso para una transición de fase, nucleada en el régimen extremo de alta presión, tensión de corte y tasa de tensión generada por compresión láser pulsada de alta energía. El estado de tensión extrema fue creado por seis pulsos de láser incidentes simultáneos que generaron una onda de presión que penetró en una cápsula donde se colocó una muestra de tantalio (Fig. 1); los detalles se proporcionan en la Sección de Métodos.

( a, b ) Ensamblaje utilizado para comprimir por choque los monocristales de Ta; observe la trampa de impulso; (c) presión calculada (usando 1-D LASNEX y parámetro de normalización) en función de la profundidad para energía de choque láser de 684 J.

Los patrones de difracción de microscopía electrónica de transmisión (TEM) para subestructuras se simularon utilizando el software DIFFRACT. El parámetro de red para BCC Ta es 0,3304 nm; para las estructuras gemelas en la matriz BCC Ta, los parámetros de red son los mismos. Las relaciones cristalográficas entre la estructura gemela y la matriz se pueden encontrar en la Tabla S1 dentro del material complementario.

En la simulación de los patrones de difracción de la fase ω se utilizó la estructura identificada por Hsiung y Lassila7,8. Es una estructura pseudohexagonal con parámetros de red, a = b = 0,468 nm c = 0,2886 nm, α = β = 90° y γ = 120°. Las ubicaciones de los átomos son (0, 0, 0), (0,6853, 0,3146, 0,5) y (0,3146, 0,6853, 0,5) en dimensiones de red unitarias. Las relaciones entre la fase ω y la matriz BCC se pueden encontrar en el material complementario. Usando un eje normal de lámina [110] y un eje de zona [131] como ejemplo, los puntos de difracción extra para hermanamiento y ω en el patrón de difracción se muestran en la Fig. 2, donde su tamaño corresponde a la intensidad. El plano gemelo es , ya que es el plano de simetría especular entre los dos pares de matriz y puntos gemelos, () y (), que se muestra en la Fig. 2(a). La figura 2(b) es el patrón de difracción simulado con los puntos de la subestructura de la fase ω (círculos huecos) en la misma matriz y orientación. Está claro que la distribución de los lugares adicionales es diferente de la de los hermanamientos, aunque hay lugares compartidos como se indica mediante círculos azules sombreados. Por lo tanto, la subestructura inducida por el choque se puede identificar por el patrón de difracción de electrones (hoja normal = [123] y eje de zona como [101]) que se muestra en la Fig. 2 (c). Las diferencias entre bcc, maclas y ω son claras y las estructuras pueden identificarse fácilmente. No es sorprendente que los puntos compartidos por las estructuras ω y gemelas parezcan los más brillantes, lo que implica cierto grado de coexistencia.

Fomente los patrones de difracción normales [110] y de eje de zona [131].

(a) Puntos gemelos simulados (círculos huecos y subíndice t, (b) Puntos de fase omega simulados (círculos huecos rojos). Los círculos azules más grandes corresponden a puntos de difracción compartidos. (c) Patrón de difracción experimental.

Las subestructuras observadas en nuestro experimento ocurren después de un pulso con una duración de ~3.7 ns, 1/500 del usado por Hsiung y Lassila5,6,7,8. La Figura 3 muestra las micrografías de campo oscuro TEM para tres orientaciones diferentes: [110], [111], [123]. Las energías de disparo correspondientes y la profundidad de la lámina para cada orientación son: [110] 625 J a ~200 μm por debajo del fondo del cráter; [111] 661 J a 245 μm por debajo del fondo del cráter y [123] 633 J a 200 μm por debajo del fondo del cráter. A partir de los resultados de la simulación LASNEX, la presión correspondiente en esta posición es ~71 GPa. Los círculos en los patrones de difracción insertados indican los puntos utilizados para las imágenes de campo oscuro. Desde el software de simulación, el patrón de difracción de la matriz se puede identificar e indicar mediante la zona <131> para [110], la zona <113> para [111] y la zona <011> para [123] tantalio monocristalino.

Imágenes de TEM de campo oscuro que muestran la fase ω (áreas brillantes) en (a) [110] energía impulsada por Ta monocristalino de 625 J (lámina a 200 μm debajo del cráter, correspondiente a una presión de ~71 GPa); (b) [111] energía impulsada por Ta monocristalino de 661 J (lámina a 245 μm debajo del cráter, correspondiente a una presión de ~71 GPa); (c) [123] Energía impulsada por Ta monocristalino de 633 J.

Para un disparo nominal de 650 J a 200 μm por debajo del cráter, la presión correspondiente es ~71 GPa.

Comparando la morfología de la fase y los patrones de difracción con los resultados de Hsiung y Lassila5,6,7,8, se puede concluir que la subestructura es la fase ω. Los límites planos de la fase ω sugieren que la energía de la interfaz juega un papel importante; parece haber un proceso de energía minimizada en orientaciones específicas, un fenómeno común en los límites de fase. Los dominios ω tienen una dimensión lateral de ~0.2–0.4 μm (Fig. 3(a,b)). Estas placas son más cortas y más bloqueadas en [123] Ta monocristalino (Fig. 3 (c)). Hsiung y Lassila5,6,7,8 también observaron la formación de una fase ω en forma de zigzag que sugirieron que se debía a la coalescencia de bloques omega de la misma variante. Estos límites de grano facetados son característicos de las transformaciones masivas, en las que el límite se mueve por un proceso de difusión, aunque la composición del producto y la fase original son idénticas. Estudiadas desde los años cincuenta (p. ej., Massalski9), las transformaciones masivas también pueden ocurrir en elementos puros y no se limitan a las aleaciones. Las facetas aquí observadas son muy similares a las reportadas por Aaronson10.

La difracción de retrodispersión de electrones y el análisis de la figura polar de los resultados experimentales de Florando et al.11 indican que la macla en monocristales orientados [110] y [123] es relativamente más favorable para que ocurra. La fracción de volumen de ω en estas tres orientaciones también se puede calcular a partir de las imágenes TEM que se muestran en la Fig. 3. El componente de esfuerzo cortante (desviador) es significativo y, dado que la transformación de alfa a ω requiere una mezcla, es bastante probable que el componente cortante del esfuerzo contribuye a la transformación. Se ha encontrado que los esfuerzos cortantes tienen un efecto significativo en las reacciones y las transiciones de fase. Esto fue reconocido primero por Bridgman12 y luego por Teller13. Enikolopian14 investigó sistemáticamente el efecto en los polímeros y Chen et al.15 demostraron que la presión umbral para la reacción exotérmica entre los polvos de Ti y Si se redujo significativamente por la superposición de tensiones de cizallamiento. En la compresión por choque, el componente de corte es muy significativo y se tiene la siguiente relación entre el esfuerzo de corte (τmax) y la presión (p):

Para tantalio, la presión cero C11 = 260,9 GPa y C12 = 165,2 GPa (Sang et al.4) producen una relación de 0,49. A medida que se produce la deformación plástica y/o la transformación por cortante, este valor se relaja. Este valor también exhibirá una dependencia de la presión.

La relación entre la fracción de transformación de fase y la orientación del cristal se puede racionalizar en términos del esfuerzo cortante que actúa sobre los planos ({112}) y las direcciones ([111]) de las mezclas involucradas en la formación de la fase ω. El esfuerzo cortante se puede calcular usando el procedimiento descrito por Lu16. El estado de deformación uniaxial en compresión de choque está representado por el tensor que contiene solo un componente distinto de cero:

Las tensiones se pueden calcular a partir de las deformaciones mediante la ley de Hooke generalizada:

donde Cijkl es la matriz de rigidez elástica. Esta matriz está referenciada a un marco ortogonal con ejes [100], [010] y [001]. Para obtener los esfuerzos cortantes resueltos para las otras orientaciones de compresión de choque, el tensor de rigidez debe transformarse al sistema de coordenadas respectivo de acuerdo con la ley de transformación a continuación, en la que lij son los cosenos de dirección que relacionan el nuevo con el antiguo sistema de coordenadas. .

Las fracciones de transformación medidas a partir de micrografías TEM para las cuatro direcciones de compresión del choque son, en orden descendente: [110]: 0,59; [123]:0,34; [111]:0,24; y [001]: <0,05. La última fracción de transformación fue extremadamente baja y localizada. Los esfuerzos cortantes máximos resueltos en el sistema {112}[111] orientado más adecuadamente son: [123]:68.1; [110]:63,9; [110]:51.7 y [001]:50. Las unidades de tensión son ε33GPa y, por lo tanto, para cada presión, la deformación correspondiente debe calcularse a partir de las relaciones de Rankine-Hugoniot y luego insertarse en la expresión. La orientación [123] tiene el esfuerzo cortante más alto, 0.69 ε33 GPa y corresponde a la segunda fracción transformada más alta, 0.34, mientras que [001] tiene el esfuerzo cortante resuelto más bajo, 0.50 y exhibe solo una pequeña fracción de la transformación de fase que no pudo cuantificarse en un estudio previo17. Por lo tanto, el esfuerzo cortante en el sistema {112}[111] parece jugar un papel importante. La transformación también se observó en policristales con tamaños de grano micrométricos5,6,7,8, pero no en nanocristales18, lo que indica que los mecanismos de deformación dependientes del tamaño de grano también podrían desempeñar un papel importante. Sin embargo, en este punto, no se pudieron encontrar correspondencias uno a uno.

Las simulaciones de dinámica molecular de monocristales de tantalio impactados [110] también revelaron una transformación de fase bcc-hexagonal por encima de un umbral de presión de 75 GPa y una tensión de cizallamiento correspondiente de 13 GPa. Las simulaciones utilizaron un potencial EAM desarrollado recientemente para Ta19. Curiosamente, se desarrolló el potencial para extender la aplicabilidad a alta presión sin transiciones de fase sólido-sólido, mostrando explícitamente que la barrera de entalpía bcc-hcp es negativa hasta 460 GPa para una presión hidrostática aplicada20. Otro trabajo que utiliza este potencial no ha revelado tal cambio de fase incluso a lo largo de direcciones preferenciales21,22,23. Esto es consistente con las simulaciones DFT, que no muestran cruces de energía libre a medida que aumenta la presión hidrostática2,24.

Una fracción de volumen significativa de grupos hexagonales inmediatamente después del frente de choque se puede ver en la Fig. 4 (a). Los grupos comúnmente nuclean cerca de los límites de los gemelos y parecen tener una alta prevalencia en las intersecciones de gemelos con gemelos. Varían en tamaño desde 10 átomos hasta 500 átomos, alcanzando unos pocos nanómetros de diámetro. Se puede ver un ejemplo de un gran grupo en la Fig. 4 (b, c) que muestra el empaque del radio atómico de van der Waals y el enlace hexagonal, respectivamente. La identificación de la estructura hexagonal fue posible gracias al análisis adaptativo del vecino común25, una metodología adecuada para distinguir componentes de sistemas multifásicos a través de un parámetro de corte definido iterativamente. La figura 4(d) ilustra un mapa de imágenes de orientación del impacto. La orientación del cristal original, [110], es de color verde y los gemelos son de color rojo, cerca de las orientaciones <100>. El frente de choque contiene un mayor número de gemelos y un mayor volumen de la fase hexagonal en comparación con el material que se encuentra más atrás del frente de choque. Se puede especular que el desdoblamiento y las dislocaciones inducidas por choque podrían tener un papel importante en la estabilidad y la fracción de volumen restante de la fase hexagonal.

Simulación de dinámica molecular de cristal de tantalio [110] impactado a una velocidad de partícula de 1,1 km/s (presión de choque cercana a 120 GPa).

(a) Fase hexagonal filtrada por análisis de vecino común adaptativo25 y coloreada por conteo de vecinos. Imágenes de primer plano de un grupo hexagonal que consta de casi 500 átomos que muestran (b) empaquetamiento y (c) enlace (imágenes de Ovito35). (d) Mapa de imágenes de orientación donde el verde corresponde a la dirección <110> y el rojo a la dirección <100> (imágenes a través de MD_render36 implementado en SPaSM37).

Informamos la observación de una transformación de fase omega (hexagonal) en tantalio centrado en el cuerpo por encima de un umbral de presión de 70 GPa dentro de 3,7 ns. La presión de transformación está cerca de un factor dos más alto y el tiempo es un factor 500 más bajo que las observaciones anteriores de Hsiung y Lassila5,6,7,8, (45 GPa en tp ~1,8 μs). La relación entre el tiempo de choque y la presión de transformación es análoga a las restricciones cinéticas para el cambio de fase bcc-fcc en el hierro, que cambia de 13 GPa a 20–35 GPa a velocidades de deformación más altas26,27,28,29.

A diferencia de los resultados actuales, los cálculos de la presión hidrostática muestran que la diferencia de energía entre las fases ω y β (BCC) aumenta con la presión2,24. Esto apunta al papel esencial de los esfuerzos cortantes asociados con la presión en la transformación.

Las simulaciones de dinámica molecular revelan la formación de nódulos de transformación hexagonal nanométricos que se acompañan de una deformación por cizallamiento significativa en la red. La importancia de los esfuerzos cortantes se corrobora en las simulaciones MD donde la compresión hidrostática por sí sola no puede producir la transformación.

El tantalio monocristalino puro de cuatro orientaciones, [001], [110], [111] y [123], se obtuvo de MarkeTech Intl, Inc. en especímenes cilíndricos con dimensiones de 3 mm de diámetro y 3 mm de altura. Las impurezas intersticiales (ppm en peso) medidas por Evans Analytical Group en Ta son O: <10, N: <10, H: 7,6 y C: <10. Los experimentos de recuperación de láser se realizaron en el Laboratorio de Energética Láser de la Universidad de Rochester (Instalación Omega). La configuración experimental se había probado previamente para la recuperación de metales cúbicos centrados en las caras30,31,32,33,29 y se describe en detalle en otro lugar16,17,18. El paquete objetivo consta de una cápsula llena de aerogel de sílice que actúa como un medio de desaceleración para el paquete objetivo de tantalio después de la compresión por choque láser (Fig. 1 (a)). Los objetivos monocristalinos de tantalio cilíndricos, como se detalla en la Fig. 1b, se colocaron detrás de una arandela de tantalio y se respaldaron con una trampa de impulso Ta para minimizar las ondas de tensión reflejadas. Los experimentos VISAR (sistema de interferómetro de velocidad para cualquier reflector) del accionamiento se realizaron en muestras de calibración de Al-LiF. Los datos de velocidad de la interfaz permitieron deducir la presión frente al tiempo de las diferentes condiciones de carga, sirviendo como entrada posterior en simulaciones hidrodinámicas utilizando 1-D LASNEX. Con base en los datos de VISAR y los cálculos hidrodinámicos, el perfil de caída de presión en función de la energía se puede establecer con bastante certeza. Para una energía de entrada de 684 J, el decaimiento previsto se muestra en la Fig. 1(c).

Los objetivos impactados se examinaron utilizando un microscopio electrónico de barrido (Phillips XL30 ESEM) y un microscopio electrónico de transmisión (Tecnai F20, operado a 200 kV). Las láminas de microscopía electrónica de transmisión (TEM) se prepararon principalmente mediante técnicas de haz de iones enfocados (FIB; Hitach NB-5000 FIB-SEM) debido a las dificultades para electropulir las siguientes tres orientaciones: [110], [111] y [123]. Las muestras preparadas para FIB se cortaron por la mitad y se montaron en epoxi. Las secciones transversales se pulieron mecánicamente utilizando pasta de Al2O3 hasta 0,05 μm y se recubrieron con una fina capa de Ir para el procedimiento de fresado FIB. Las muestras de FIB eran perpendiculares a la dirección de propagación del choque, paralelas a la superficie de las muestras de Ta y tenían un espesor de 50 a 100 nm. Hay dos beneficios de este procedimiento de corte y orientación: (1) las muestras cortadas tienen una orientación conocida; (2) a partir de VISAR y los resultados computacionales, la presión se puede calcular en función de la profundidad y, por lo tanto, se puede establecer con precisión en el plano de la lámina. La caída de presión se supone independiente de la orientación. Por lo tanto, para la muestra de Ta monocristalino [110] sometida a un pulso de choque inducido por láser de 625 J, la presión a una distancia de 200 μm por debajo del cráter (la profundidad del cráter es de aproximadamente 166 μm) es de aproximadamente 71 GPa.

Las simulaciones de dinámica molecular se realizaron con el paquete LAMMPS34 con la onda de choque impulsada por un pistón congelado.

Cómo citar este artículo: Lu, C.-H. et al. Transformación de fase en tantalio bajo deformación extrema por láser. ciencia Rep. 5, 15064; doi: 10.1038/srep15064 (2015).

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Esta investigación está financiada por la subvención de laboratorios de investigación de la UC (09-LR-06-118456-MEYM) y la subvención del Centro Nacional de Usuarios de Láser (NLUF) (PE-FG52-09NA-29043). La microscopía electrónica se llevó a cabo en las instalaciones para usuarios de SHARE, que está patrocinada en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge por la División de Instalaciones para Usuarios Científicos del Departamento de Energía de EE. UU. Reconocemos el uso de la instalación de microscopía crioelectrónica de UCSD, que cuenta con el apoyo de subvenciones del NIH al Dr. Timothy S. Baker y una donación del Instituto Agouron a UCSD. Los recursos computacionales fueron apoyados por la Oficina de Ciencias del DOE, la Oficina de Computación Científica Avanzada (ASCR) a través del Centro de Codiseño Exascale para Materiales en Ambientes Extremos.

University of California, San Diego, La Jolla, 92093, CA, USA

C.-H. Lu, EN Hahn y MA Meyers

Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, Livermore, 94550, CA, EE. UU.

BA Remington y BR Maddox

Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad Nacional de Cuyo, Mendoza, 5500, Argentina

en Bringa

CONICET, Mendoza, 5500, Argentina

en Bringa

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MAM y BAR propusieron el proyecto y supervisaron todo el trabajo. CHL, BM y BAR habilitaron y realizaron las pruebas experimentales. ENH y EMB completaron las simulaciones. CHL, ENH y MAM prepararon las cifras. Todos los autores contribuyeron a las discusiones del artículo.

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Lu, CH., Hahn, E., Remington, B. et al. Transformación de fase en tantalio bajo deformación extrema por láser. Informe científico 5, 15064 (2015). https://doi.org/10.1038/srep15064

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Recibido: 10 Agosto 2015

Aceptado: 07 de septiembre de 2015

Publicado: 19 de octubre de 2015

DOI: https://doi.org/10.1038/srep15064

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