A PNAS-ban (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America) pulblikált új megközelítés a fémek mechanikai tulajdonságának az eddigieknél pontosabb leírását teszi lehetõvé.

A plasztikus deformáció (képlékeny alakítás) új elmélete egy 1934 óta fennálló hézagot pótol a szilárdtest-fizika tudományában, mivel már ekkor felismerték a vonalszerû rácshibákat (diszlokációkat) a fémek kristályrácsában. Az atomok elrendezõdése sohasem tökéletes: a valódi kristályokban különbözõ rácshibák fordulnak elõ. A rácshibák döntõen befolyásolhatják az anyag mechanikai tulajdonságait, éppen ezért sokszor tudatosan hoznak létre ilyeneket. Ezek a hibák teszik lehetõvé az atomi síkok képlékeny alakváltozást eredményezõ csúszását. De a csúszási mechanizmusok kvantitatív, elsõ elvek alapján való leírása mindeddig hiányzott.

A tanulmány az új kutatások alapján a csúszás három deformációs mechanizmusát a folyamatok saját effektív aktiválási energiája által meghatározott jellemzõ alapján írja le, melyet egy kvantummechanikai számítási módszerrel, az úgynevezett molekuladinamikai szimulációva számítottak ki. Az aktiválási energiák pontos meghatározása kulcsfontosságú ahhoz, hogy a késõbbiekben stabilabb, erõsebb, a felhasználási célnak megfelelõen optimalizált fémet tudjanak létrehozni a kutatók.

"A külsõ feszültség megszûnése után egy acélrugó vagy egy darab gumi teljesen visszanyeri az eredeti alakját. Más szóval, ezek a rendszerek rugalmasan viselkednek. Ugyanez történik, ha egy konyhai villát enyhén meggörbítünk, vagy egy mosogatókagylót vagy autó-karosszériát kissé benyomunk. Azonban nagyobb erõhatás esetében, a legtöbb szilárd anyag maradandó alakváltozást szenved. Ez utóbbit a tudomány képlékeny alakváltozásnak nevezi" – mondta Vitos Levente az mta.hu-nak nyilatkozva.

A kutató a laikusok számára is érthetõen világította meg kutatási területét, amikor elmondta, hogy a szilárdtest-fizikusok az alakváltozási folyamatokat atomi szinten vizsgálják. A rugalmas alakváltozás során az atomok közti kötések gyengén torzulnak, hosszuk vagy irányuk változik. Ezzel szemben a képlékeny deformáció esetében a kötések nagy számban szakadnak el és képzõdnek újból. Ez utóbbi nagyon összetett és bonyolult folyamat, feltárása a szilárdtest-fizika és az anyagtudomány egyik fontos célja. Mindeddig csak a rugalmas alakváltozás tekintetében volt egyértelmûen megadható az alakváltozás mértéke és az igénybevételt megadó erõ közötti összefüggés.

"A rugalmas tartományban pontosan meg tudjuk mondani, hogy egy adott erõ mekkora alakváltozást eredményez. Azonban hasonlóan egyszerû és átlátható elmélet a plasztikus tartományban mind a mai napig nem létezik. A kollegáimmal közösen kidolgozott új teória fontos lépés e hiány pótlására, a képlékeny alakváltozás megértésére és leírására" – emelte ki tanulmányának lényegét a kutató.

A képlékeny deformációt a szilárd testet alkotó atomi síkok egymáson való elcsúsztatása eredményezi. Az atomi síkok csúszását a különbözõ rácshibák teszik lehetõvé, és a csúszás módozata nagymértékben meghatározza a test külsõ feszültségre adott válaszát. Az elmélet materiálisan realizálódó hasznáról Vitos Levente rámutatott, hogy ha a tudósok megértik a különbözõ csúszási folyamatokat és az azokat befolyásoló legfontosabb paraméterek pontos szerepét, akkor lehetõségük nyílik rá, hogy a szilárd anyagok mechanikai tulajdonságait az adott alkalmazási igényre szabva állítsák be.

A képlékeny deformációról a kutató elmondta, hogy a mûvelet során a csúszás három lehetséges formában valósulhat meg (teljes csúszás, iker- és rétegzõdési hibaképzõdés), és mindegyik egy-egy sajátos energiagáttal írható le. E szilárd anyagokat leíró paraméterek korábban nem voltak hozzáférhetõek, így a bennük rejlõ fontos információ is elérhetetlennek tûnt az anyagtudósok számára. A modern kvantummechanikai számítások révén lehetõvé vált a megismerésük, mi több, a stabil mellett az instabil hibák energiagátjainak a számszerûsítése is.

"Felismertük a stabil és instabil rétegzõdési hibaképzõdés fontosságát, valamint hogy az energiagátjaikból képzett új paraméterrel általánosan és egyértelmûen megállapíthatjuk a képlékeny deformáció során fellépõ három deformációs mechanizmus jellegét felületen középpontos köbös (fkk) szerkezetû fémek és ötvözetek esetében. Megmutattuk, hogy pusztán a rétegzõdési hibák energiáinak ismerete lehetõvé teszi, hogy megértsük a plasztikus folyamatok sokszínûségét, és adott esetben befolyásolni is tudjuk õket. Arra is rávilágítottunk, hogy kísérletileg hogyan határozhatók meg ezek a paraméterek. Ezért elméletünk fontos mérföldkõ úgy a számítógépes, mint a hagyományos anyagtervezésben" – tette hozzá Vitos Levente.

A plasztikus deformáció

A fémek és az ötvözetek jellemzõ tulajdonsága, hogy képlékenyen alakíthatók: a folyáshatárnál nagyobb feszültségek hatására alakjuk maradandóan megváltozik. Hidegalakításkor erõsen megnõ a kristályhibák mennyisége, ami jelentõsen megnöveli az anyag szilárdságát és keménységét, valamint csökkenti a nyújthatóságát. A deformáció hatására a szemcseszerkezet bonyolult módon megváltozik: hosszú, elnyúlt szemcsék alakulnak ki, melyek anizotrop (térbeli iránytól függõ) tulajdonságot eredményeznek.