Исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне впервые определили физический механизм, объясняющий, как магнитные поля замедляют движение атомов углерода через железо. Работа, опубликованная в журнале Physical Review Letters, проливает свет на то, как углерод влияет на внутреннюю зернистую структуру стали — ключевой фактор её прочности и эксплуатационных свойств.
Сталь, создаваемая из железа и углерода, является одним из самых востребованных строительных материалов в мире. Однако для формирования её внутренней структуры требуются экстремально высокие температуры, что делает производство стали чрезвычайно энергозатратным. Десятилетия назад учёные заметили, что некоторые марки стали ведут себя лучше при термической обработке в магнитном поле, но объяснения оставались в основном теоретическими. Без чёткого физического понимания инженеры не могли надёжно предсказывать или контролировать этот эффект.
«Предыдущие объяснения были в лучшем случае феноменологическими», — говорит Даллас Тринкл, профессор материаловедения и старший автор статьи. «При проектировании материала нужно точно знать: "Если я добавлю этот элемент, материал изменится вот так". А у нас не было понимания, как это происходит; ничего предсказательного». Чтобы решить эту задачу, Тринкл применил моделирование диффузии, используя вычислительный метод усреднения по спиновому пространству. Этот подход, основанный на формализме спиново-решеточной динамики, вместо моделирования каждого отдельного атома с его мгновенным магнитным моментом усредняет спиновые состояния по ансамблю. Это значительно ускоряет расчеты миграционной энергии атомов при диффузии. Стандартные методы требуют учета спиновой динамики, что увеличивает вычислительную сложность на порядок, тогда как усреднение по спину заменяет детальную динамику магнитных моментов эффективным потенциалом без потери точности.
Симуляции показали, что когда магнитные спины атомов железа выстраиваются в одну линию (ферромагнетизм), это повышает энергетический барьер, который атомам углерода нужно преодолеть для перемещения между «клетками» кристаллической решётки. Чем выше магнитная упорядоченность, тем медленнее диффузия углерода. Именно ферромагнетизм железа важен для стали: он обеспечивает способность намагничиваться и сохранять намагниченность при комнатной температуре, что критично для изготовления постоянных магнитов, электродвигателей и трансформаторов. Парамагнетизм же проявляется только в слабых магнитных полях и исчезает без внешнего воздействия, делая его непригодным для практического использования.
Это открытие может существенно снизить энергопотребление при обработке стали, сократив производственные расходы и выбросы CO₂. Кроме того, те же принципы применимы и к другим материалам. Теперь учёные могут количественно предсказывать, как магнитные поля влияют на атомную диффузию в различных сплавах. «Теперь, имея эти данные, мы можем задуматься об инженерии сплавов, — добавляет Тринкл. — Возможно, выбирать уже существующие составы или даже рассматривать химию сплавов, которые мы пока не используем, но которые могут оказаться чрезвычайно выгодными».
Источник: The magnetic secret inside steel finally explained