Ученые из Инженерного колледжа Грейнджера впервые определили физический механизм, объясняющий, как именно магнитные поля замедляют движение атомов углерода в железе. Эта работа, опубликованная в журнале «Physical Review Letters», проливает свет на то, как углерод влияет на внутреннюю структуру стали – ключевой фактор ее прочности и долговечности. Открытие может привести к созданию более энергоэффективных и экологичных методов производства.
Сталь, сплав железа и углерода, является одним из самых распространенных конструкционных материалов в мире. Формирование ее внутренней структуры требует чрезвычайно высоких температур, что делает сталелитейную промышленность одним из крупнейших потребителей энергии. Десятилетия назад исследователи заметили, что термообработка некоторых марок стали в присутствии магнитного поля улучшает их характеристики, однако существовавшие объяснения были в лучшем случае теоретическими. Без четкого физического понимания процесса инженеры не могли надежно прогнозировать или контролировать его эффект.
«Прежние объяснения этого явления были чисто феноменологическими, – отмечает Даллас Тринкл, профессор материаловедения и ведущий автор исследования. – При разработке материала вам нужно точно знать: «Если я добавлю этот элемент, материал изменится вот так». У нас не было понимания, как это происходит, не было никакой предсказательной силы».
Чтобы разгадать эту давнюю загадку, команда профессора Тринкла применила свой опыт в моделировании диффузии. Используя сложный вычислительный подход, известный как «усреднение в спиновом пространстве», ученые смогли отследить, как на движение атомов углерода влияют и температура, и магнитные поля. В стальных сплавах атомы углерода занимают небольшие октаэдрические «клетки», образованные окружающими атомами железа. Моделирование показало, как углерод перемещается из одной такой клетки в другую.
Результаты продемонстрировали, что выравнивание магнитных спинов атомов железа – переход в ферромагнитное состояние – повышает энергетический барьер, который атомы углерода должны преодолеть для перемещения. Таким образом, чем сильнее магнитный порядок в материале, тем медленнее происходит диффузия углерода. И наоборот, когда спины ориентированы хаотично, «клетки» становятся более просторными, и углерод движется свободнее. Это и есть физическое объяснение давно наблюдаемого эффекта.
По мнению исследователей, полученные данные помогут снизить энергозатраты на обработку стали, что приведет к сокращению производственных издержек и выбросов CO2. Кроме того, эти же принципы могут быть применены и к другим материалам, позволяя ученым количественно предсказывать влияние магнитных полей на атомную диффузию в более широком смысле. «Теперь, когда у нас есть эта информация, мы можем начать думать об инженерии сплавов, – заключает Тринкл. – Это может касаться как уже существующих сплавов, так и разработки новых химических составов, которые могут оказаться чрезвычайно полезными».
