Transformação de Fase em Tântalo sob Deformação Extrema a Laser

Scientific Reports volume 5, Número do artigo: 15064 (2015) Citar este artigo

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A resposta estrutural e mecânica dos metais está intimamente ligada às transformações de fase. Por exemplo, o produto de uma transformação de fase (martensita) é responsável pela extraordinária faixa de resistência e tenacidade do aço, tornando-o um material estrutural versátil e importante. Embora abundante em metais e ligas, a descoberta de novas transformações de fase não é um evento comum atualmente e muitas vezes requer uma mistura de experimentação, cálculos preditivos e sorte. Lasers pulsados ​​de alta energia permitem a exploração de pressões e temperaturas extremas, onde essas descobertas podem estar. A formação de uma fase hexagonal (ômega) foi observada em tântalo cúbico de corpo centrado monocristalino recuperado de quatro orientações cristalográficas submetido a um regime extremo de pressão, temperatura e taxa de deformação. Isso foi feito usando lasers pulsados ​​de alta energia. A fase ômega e a geminação foram identificadas por microscopia eletrônica de transmissão a 70 GPa (determinada por um experimento VISAR correspondente). Propõe-se que as tensões de cisalhamento geradas pelo estado de deformação uniaxial da compressão de choque desempenham um papel essencial na transformação. Simulações de dinâmica molecular mostram a transformação de pequenos nódulos de cúbico de corpo centrado em uma estrutura hexagonal compacta sob o mesmo estado de tensão (pressão e cisalhamento).

As transições de fase são de extrema importância na determinação e controle das propriedades dos materiais. O tântalo é um metal modelo cúbico de corpo centrado (BCC); sua alta estabilidade de fase com aumento de pressão e temperatura1 permitiu aos pesquisadores explorar a plasticidade sem complicações envolvidas com mudanças de fase.

No entanto, há disputas experimentais e teóricas em andamento em relação ao polimorfismo de alta pressão e alta temperatura no tântalo. Burakovsky et al.2 realizaram simulações ab initio que previram a existência de uma fase ômega (ω) no regime de alta pressão-temperatura do Ta monocristalino (acima de ~70 GPa). Usando um modelo baseado na teoria do funcional da densidade e pseudopotencial generalizado, Haskins et al.3 identificaram um efeito de tamanho para a fase hexagonal. Shang et al.4 calcularam sistematicamente as pressões de transição de fase para 76 sólidos elementares, incluindo tântalo puro, mencionando uma transição fcc-hcp em 67,5 e 285 GPa usando um método de onda aumentada por projetor dentro de uma aproximação de gradiente generalizado. Experimentalmente, Hsiung e Lassila5,6,7,8 observaram gêmeos e a fase ω em Ta puro e uma liga Ta-W. A transição de fase bcc para hexagonal ocorreu na liga Ta-10 W em cerca de 30 GPa e no Ta policristalino em 45 GPa com uma duração de carga de 1,8 μs. Hsiung e Lassila7,8 propuseram um mecanismo, indicando que a pressão de choque leva à transformação baseada em cisalhamento no tântalo da fase bcc para a fase ω. A possível existência da fase ω tem sido amplamente discutida na literatura e existe um considerável grau de incerteza quanto à sua formação e estabilidade em relação a impurezas e efeitos de contorno de grão.

O objetivo deste relatório é descrever observações de uma transformação de fase sólido-sólido em tântalo monocristalino com diferentes orientações ([001], [110], [111], [123]), choque comprimido em durações muito curtas (~ 3 ns ) e alta taxa de deformação (~108 s-1) em um estado de deformação uniaxial. Essas observações são apoiadas por simulações de dinâmica molecular, tornando este um caso poderoso para uma transição de fase, nucleada no regime extremo de alta pressão, tensão de cisalhamento e taxa de tensão gerada por compressão de laser pulsado de alta energia. O estado de estresse extremo foi criado por seis pulsos de laser incidentes simultâneos, gerando uma onda de pressão que penetrou em uma cápsula onde foi colocada uma amostra de tântalo (Fig. 1); detalhes são fornecidos na Seção de Métodos.