الحسابات الحديثة تحل أخيرًا لغزًا مغناطيسيًا عمره 50 عامًا في الفولاذ

حدد الباحثون رابطًا غير متوقع بين المغناطيسية الذرية وحركة الكربون في الفولاذ.

حدد الباحثون في قسم علوم وهندسة المواد في كلية غرينجر للهندسة أول آلية فيزيائية مفصلة تشرح كيف تعمل المجالات المغناطيسية على إبطاء حركة ذرات الكربون داخل الحديد. الدراسة التي نشرت في رسائل المراجعة البدنيةيلقي ضوءًا جديدًا على الدور الذي يلعبه الكربون في تشكيل البنية الحبيبية الداخلية للصلب.

يعد الفولاذ، المصنوع من الحديد والكربون، من بين مواد البناء الأكثر استخدامًا في جميع أنحاء العالم. عادةً ما يتطلب إنتاج الفولاذ بهياكل داخلية محددة حرارة شديدة، مما يجعل العملية كثيفة الاستخدام للطاقة.

منذ عقود مضت، لاحظ الباحثون أن تعريض أنواع معينة من الفولاذ للمجالات المغناطيسية أثناء المعالجة الحرارية أدى إلى تحسين الأداء، لكن التفسيرات المقدمة في ذلك الوقت ظلت نظرية إلى حد كبير. إن تحديد السبب الكامن وراء هذا التأثير يمكن أن يمنح المهندسين تحكمًا أكثر دقة في المعالجة الحرارية، مما يؤدي إلى معالجة أكثر كفاءة وانخفاض الطلب على الطاقة.

الانتقال إلى ما وراء التفسيرات الظواهرية

قال دالاس ترينكل، أستاذ علوم وهندسة المواد في إيفان راشيف والمؤلف الرئيسي للدراسة: “كانت التفسيرات السابقة لهذا السلوك ظاهرية في أحسن الأحوال”. “عندما تقوم بتصميم مادة ما، يجب أن تكون قادرًا على القول، “إذا أضفت هذا العنصر، فهذه هي الطريقة التي ستتغير بها (المادة).” ولم يكن لدينا أي فهم لكيفية حدوث ذلك؛ لم يكن هناك أي شيء تنبؤي بشأن ذلك”.

لمعالجة هذا السؤال الذي طال أمده، طبق ترينكل خلفيته في نمذجة الانتشار كجزء من فريق بحث أوسع يدعمه مكتب كفاءة الطاقة والطاقة المتجددة التابع لوزارة الطاقة الأمريكية.

ركزت المجموعة على الكشف عن تفسير قائم على الفيزياء وقابل للقياس بدلاً من الاعتماد على الملاحظة وحدها.

في سبائك الحديد والكربون مثل الفولاذ، تحتل ذرات الكربون “أقفاص” صغيرة ذات شكل ثماني السطوح تكونت من ذرات الحديد المحيطة. ومن خلال محاكاة كيفية تحرك الكربون عبر هذا الإطار الذري، تمكن ترينكل وزملاؤه من توضيح كيفية تأثير المجالات المغناطيسية على الانتشار وتحفيز السلوك غير المعتاد الذي شوهد أثناء المعالجة الحرارية.

محاكاة الدوران والبنية على المقياس الذري

باستخدام تقنية تسمى متوسط ​​مساحة الدوران، أنشأ ترينكل عمليات محاكاة حاسوبية تكرر تأثيرات درجة الحرارة والمجالات المغناطيسية على محاذاة دوران ذرات الحديد. عندما يكون القطبان الشمالي والجنوبي من الحديد ذرة محاذاة، فهي تعتبر مغناطيسية: من المحتمل جدًا أن تكون ممغنطة.

عندما تكون الأقطاب غير متوازية، تكون ممغنطة أو ممغنطة بشكل ضعيف. كشفت محاكاة ترينكل عن تغير في حاجز الطاقة عندما تمت محاذاة مغزليات الذرة، مما يشير إلى أن زيادة الترتيب المغناطيسي يعيق حركة ذرات الكربون بين الأقفاص.

قال ترينكل: “يتطلب الأمر مجالًا قويًا للغاية لتبديل العزوم المغناطيسية”. “إذا كنت قريبًا من درجة حرارة كوري، فإن المجال المغناطيسي له تأثير قوي. وعندما تكون الدورات المغزلية أكثر عشوائية، فإن المجسم الثماني (القفص) يصبح في الواقع أكثر تناحيًا: ينفتح كل شيء ولديه مساحة أكبر للتحرك”.

الآثار المترتبة على استخدام الطاقة وتصميم السبائك

ويأمل ترينكل أن يتم استخدام النتائج الأخيرة لتقليل الطاقة اللازمة لمعالجة الفولاذ، مما يقلل من تكلفته وثاني أكسيد الكربون₂ الانبعاثات. ويعتقد أيضًا أنه يمكن نقل هذه المعرفة إلى مواد أخرى للتنبؤ الكمي بالانتشار تحت المجالات المغناطيسية.

“أردنا أن نكون قادرين على إجراء حسابات حقيقية؛ لإظهار المجال ودرجة الحرارة الفعالين ليس فقط من الناحية النوعية ولكن من الناحية الكمية. والآن بعد أن حصلنا على هذه المعلومات، يمكننا أن نبدأ في التفكير أكثر في هندسة السبائك. ربما يكون اختيار السبائك الموجودة بالفعل أو حتى التفكير فيها سبيكة الكيمياء التي لم نستخدمها بعد يمكن أن تكون مفيدة للغاية.

المرجع: “قمع المجال المغناطيسي الخارجي لانتشار الكربون في الحديد” بقلم لوك ج. ويرث ودالاس ر. ترينكل، 15 ديسمبر 2025، رسائل المراجعة البدنية.
دوى: 10.1103/j4sg-qmg7

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.