Nya och bättre specialstål skapas i datorn
Genom att systematiskt räkna sig igenom hela det periodiska systemet har forskare vid Uppsala universitet och KTH visat vilken ny stållegering – med krom-järn-nickel-stål som basmaterial – som skulle ge ett hårt stål, motståndskraftigt mot rostangrepp och som samtidigt kan vara lätt att forma. Resultaten presenteras i ett kommande nummer av vetenskapstidskriften Nature Materials.
När man söker komponera nya stållegeringar ställs man varje gång inför samma grundläggande problem: Om man söker förbättra en specifik egenskap är det sällan man samtidigt lyckas förädla övriga egenskaper. Det är exempelvis mycket svårt att hitta en legering som gör materialet mera formbart och samtidigt ännu hårdare.
En grupp forskare vid Uppsala universitet och KTH, Levente Vitos, Pavel Korzhavyi och Börje Johansson, presenterar nu egenskapskartor för kombinationer av järn, krom och nickel som visar tre skilda regioner där givna proportioner av de tre legeringsämnena ger speciellt lämpade stålmaterial.
Den grundläggande metoden, som under senare år framgångsrikt löst en rad olika problem med att bestämma materialegenskaper, har utvecklats av forskargruppen i den kondenserade materiens teori vid Uppsala universitet. Mycket förenklat skulle man kunna säga att arbetet går ut på att beräkna elektronfördelningen i rymdgeometrin hos en given atomstruktur. Det är en teoretisk metod som i kombination med omfattande beräkningsarbete kan karakterisera egenskaperna hos vitt skilda atomstrukturer i såväl magnetiska material som i halvledare och isolatorer, liksom i molekyler och långa polymerkedjor.
Att beräkna egenskaper hos just legeringar ställer dock särskilda krav på metoden eftersom man aldrig riktigt vet var i atomernas rymdmönster som man hittar den ena eller den andra av legeringsämnenas atomer – man måste därför räkna på ett stort antal alternativa kombinationer eller utveckla en teori som är kapabel att beskriva denna slumpmässiga fördelning av atomslagen.
Med egenskapskartan för järn, krom och nickel som grund har forskarna ställt sig ännu en fråga: Om man tillför ett fjärde grundämne för att ytterligare förbättra formbarhet, hårdhet och korrosionsskydd hos ett specialstål, vilket ämne skulle det i så fall vara och i vilka proportioner skulle det ingå? För att få svar på frågan har man räknat på alla förekommande grundämnen. Det visar sig då att en inblandning av metallerna osmium eller iridium, närmaste grannar i det periodiska systemet, skulle ge största förbättringen av materialegenskaperna. Nu betingar emellertid osmium och iridium höga priser och frågan är vilken praktisk nytta resultaten kan få?
– Först och främst har vi teoretiskt prövat vad naturen har att erbjuda, säger Börje Johansson, professor och forskningsledare både vid Uppsala universitet och vid KTH. Vad marknaden kan vara intresserad av är svårt att veta, men jag kan tänka mig att legeringar med osmium eller iridium kan utnyttjas för särskilt viktiga ståldetaljer i sådana miljöer där risken för korrosion är mycket stor.
Levente Vitos, Pavel Korzhavyi och Börje Johansson, Stainless steel optimization from quantum mechanical calculations, Nature Materials, januari 2003.
Kontaktinformation
För ytterligare information, kontakta Börje Johansson, telefon 070-417 54 52 eller e-post Borje.Johansson@fysik.uu.se
