Подавление диффузии углерода в железе внешним магнитным полем
В 1970-х годах учёные заметили, что некоторые стали проявляют лучшие свойства при термообработке в магнитном поле, но идеи, объясняющие это явление, были лишь концептуальными. Учёные впервые представили количественное объяснение того, как магнитные поля замедляют движение атомов углерода в железе. Предыдущие объяснения этого поведения были в лучшем случае феноменологическими. Результаты компьютерного моделирования, опубликованные в журнале Physical Review Letters, показывают, что выравнивание магнитного поля изменяет энергетические барьеры между атомными "клетками". Это позволяет снизить энергетические затраты и выбросы CO₂, связанные с обработкой стали.
Рис. Влияние магнитного упорядочения на межатомные расстояния ближайших (NN) и вторых ближайших соседей (2NN) атомов Fe–C, когда атом углерода находится в октаэдрических позициях (100) и в тетраэдрических переходных состояниях (TS). Геометрические вставки иллюстрируют атом углерода и его ближайших и вторых ближайших соседей для каждой конфигурации. Заштрихованная область на каждом рисунке указывает на октаэдрическую или тетраэдрическую клетку, а черные линии очерчивают октаэдрическую клетку на обоих рисунках. Авторство: Люк Дж. Вирт и др.
В железоуглеродистых сплавах, таких как сталь, атомы углерода располагаются в октаэдрических "клетках", окруженных атомами железа. Моделируя диффузию углерода через железо, учёные смогли лучше понять механизм, вызывающий это уникальное поведение. Используя метод усреднения по спиновому пространству, были созданы компьютерные модели, воспроизводящие влияние температуры и магнитных полей на выравнивание спинов атомов железа. Когда северный и южный полюса атома железа выровнены, они считаются ферромагнитными: то есть обладают высокой вероятностью намагничивания. Когда полюса не выровнены, они являются парамагнитными, или слабонамагниченными.
Моделирование выявило изменение энергетического барьера при выравнивании спинов атомов, что позволяет предположить, что усиление магнитного порядка препятствует перемещению атомов углерода между полостями. Для переключения магнитных моментов требуется чрезвычайно сильное поле. Вблизи температуры Кюри магнитное поле оказывает сильное воздействие. Когда спины более хаотичны, октаэдр (клетка) фактически становится более изотропным: вся структура как бы раскрывается и получает больше пространства для движения.
