Chemin de transformation de phase dans l'Aluminium sous compression en rampe ; simulation et étude expérimentale

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 18954 (2022) Citer cet article

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Nous présentons un cadre basé sur la dynamique moléculaire hors équilibre (NEMD) pour reproduire l'événement de transformation de phase de l'aluminium sous chargement de compression en rampe. La réponse simulée de densité de contrainte, les diagrammes virtuels de diffraction des rayons X et l'analyse de la structure sont comparés aux données expérimentales de diffraction des rayons X in situ de compression en rampe pilotée par laser précédemment observées. Les simulations NEMD montrent que les transitions de phase solide-solide sont cohérentes avec les observations expérimentales avec une structure cubique compacte à faces centrées (fcc) (111), une structure hexagonale compacte (hcp) (002) et une structure cubique centrée sur le corps bcc ( 110) plans restant parallèles. L'analyse au niveau atomique des simulations NEMD identifie la voie exacte de transformation de phase se produisant via la transformation de Bain, tandis que les données précédentes de diffraction des rayons X in situ ne fournissaient pas suffisamment d'informations pour déduire la voie exacte de transformation de phase.

Les progrès des techniques expérimentales ont considérablement amélioré notre compréhension de la stabilité de la phase solide et de la transformation de phase solide-solide sous haute pression. Le développement de pistolets à gaz1, de puissances pulsées2 et de pilotes laser3, combiné à la diffraction des rayons X in situ (DRX)4,5, a dévoilé la structure et les informations de phase de nombreux matériaux sous dynamique, haute pression, choc et quasi- compression isentropique avec des vitesses de déformation allant de 104 à 108 s−1. La DRX in situ est capable de capturer les cônes de diffraction de Debye – Scherrer de l'échantillon à différentes pressions et de projeter ces cônes de diffraction dans l'espace \(2\theta -\phi\), où l'angle de Bragg \(\theta\) est l'angle entre le faisceau de rayons X et la famille des plans du réseau et \(\phi\) est l'angle azimutal autour de la direction des rayons X incidents. Le profil \(2\theta\) peut être utilisé pour calculer la distance interplanaire selon la loi de Bragg6. L'angle \(\chi\), qui est l'angle entre la norme de l'échantillon et la norme du plan, peut être calculé à l'aide de l'équation7 \(\mathrm{cos}\left(\chi \right)=\mathrm{cos}\left( \phi \right)/\mathrm{cos}(\theta )\) et utilisé pour évaluer la texture cristallographique pendant la transformation de phase en suivant quels plans restent parallèles. Cette technique a été appliquée avec succès pour comprendre la physique des hautes températures et des hautes pressions, telle que la dynamique du jumelage et du réseau dans le tantate soumis à un choc laser8, la stabilité de phase à haute pression pendant la décompression dans les nanoparticules de ferrite de zinc9 et la voie de transformation de phase du graphite au diamant hexagonal10. .

Dans un travail récent de Polsin et al.11, des DRX in situ ont été utilisées pour détecter la structure cristalline de l'aluminium (Al) sous une charge de compression en rampe. Les auteurs ont découvert qu'une transition de phase solide-solide, compatible avec une transformation en une structure hexagonale compacte (hcp), se produit à environ 216 GPa, tandis qu'une transformation en une structure cohérente avec la structure cubique centrée (bcc) se produit à 320 GPa. Les résultats de la DRX in situ suggèrent que les plans cubiques à faces centrées (fcc) (111), hcp (002) et bcc (110) restent parallèles tout au long des transformations solide-solide fcc-hcp et hcp-bcc. Cependant, le mécanisme et la voie de la transformation de phase lors de la compression dynamique, qui est récemment apparu comme un sujet important et intéressant dans la recherche sur les hautes pressions11,12,13,14, restent flous. Expérimentalement, cela nécessiterait des mesures de diffraction résolues dans le temps pendant la compression de choc/rampe entraînée par laser, ce qui est techniquement difficile. Cependant, même la cristallographie XRD in situ n'est pas suffisante pour déterminer la voie exacte de transformation de phase à partir d'expériences à haute pression et haute température, car plusieurs voies de transformation peuvent potentiellement produire des plans parallèles similaires au cours de la transformation. À l’aide de la dynamique moléculaire hors équilibre (NEMD), la configuration atomistique exacte de la structure à chaque étape lors de la simulation NEMD du chargement en rampe peut être déterminée au niveau atomistique. Les profils XRD virtuels peuvent également être facilement obtenus et directement comparés avec des expériences pour vérifier les simulations. Ainsi, les simulations NEMD fourniront une compréhension fondamentale des mécanismes de déformation plastique et de la voie de transformation de phase structurelle et les profils XRD seront utilisés pour la vérification expérimentale.