Mezinárodní tým vědců z českých a japonské univerzity, včetně Dominika Leguta z IT4Innovations při VŠB – Technické univerzitě Ostrava, objasnil, co na atomární úrovni ovlivňuje deformaci karbidů a nitridů přechodných kovů. Klíčovou roli hrají valenční elektrony. Jejich počet ovlivňuje pohyb poruch v krystalové struktuře, a tím i mechanické chování materiálu. Výzkum publikovaný v odborném časopise Acta Materialia může pomoci při cíleném návrhu nových materiálů a omezit hledání jejich vhodného složení metodou pokus a omyl.
Karbidy a nitridy přechodných kovů vynikají vysokou tvrdostí, vysokými teplotami tání a odolností vůči opotřebení, korozi i působení vysokých teplot. Uplatňují se například jako tvrdé ochranné povlaky řezných a obráběcích nástrojů nebo v součástech vystavených náročným provozním podmínkám. Jejich slabinou je však přirozená křehkost – při zatížení mohou místo deformace prasknout.
Jednou z cest, jak jejich mechanické vlastnosti měnit, je úprava chemického složení přidáním dalších prvků, tedy legování. Tento postup se používá také ke zmírnění křehkosti těchto materiálů. Dosud však nebylo dostatečně jasné, co přesně se při změně složení odehrává v jejich krystalové struktuře a proč se následně mění jejich mechanické chování.
„U těchto materiálů chceme zachovat jejich přednosti, jako jsou tvrdost a odolnost, ale současně omezit jejich křehkost. Naše výsledky ukazují, že jedním z klíčů je počet valenčních elektronů. Díky tomu můžeme lépe pochopit, jak změnou chemického složení ovlivnit chování materiálu, a jeho vhodné složení hledat mnohem cíleněji,“ vysvětluje Dominik Legut z IT4Innovations.
V centru pozornosti vědců byly takzvané dislokace – poruchy v pravidelném uspořádání atomů v krystalu, jejichž pohyb je pro deformaci materiálu zásadní. Čím snadněji se mohou krystalem pohybovat, tím lépe se může materiál při zatížení deformovat. Tým tento mechanismus zkoumal u karbidů a nitridů přechodných kovů i jejich slitin, včetně vysokoentropických, které kombinují více různých prvků.
„Pomocí výpočtů založených na teorii funkcionálu hustoty a metodě SVPN (semidiscrete variational Peierls-Nabarro) jsme mohli sledovat, jak se mění struktura dislokací a napětí potřebné k jejich pohybu. Díky tomu jsme mohli porovnat změny v elektronové struktuře s tím, zda a jak snadno se dislokace v materiálu mohou pohybovat,“ dodává D. Legut.
Výpočty odhalily, že po překročení určitého počtu valenčních elektronů se úplná dislokace může rozdělit na dílčí části. Ty se pak krystalem pohybují postupně, což výrazně snižuje napětí potřebné k jejich pohybu a usnadňuje plastickou deformaci materiálu. Při nižším počtu valenčních elektronů zůstává dislokace nerozdělená a její pohyb je obtížnější.
Stejnou souvislost tým pozoroval u běžných i vysokoentropických slitin. Přidání prvků s vyšším počtem valenčních elektronů rozdělení dislokací podporovalo a usnadňovalo jejich pohyb. Prvky s nižším počtem valenčních elektronů měly opačný účinek.
Výzkum tak pomáhá vysvětlit, proč může i změna chemického složení ovlivnit mechanické vlastnosti těchto materiálů. Počet valenčních elektronů může být jedním z vodítek při hledání vhodného složení nových materiálů – například takových, které si zachovají vysokou tvrdost a odolnost, ale při zatížení se dokážou lépe deformovat, místo aby praskly a tedy zůstaly více kujné.
Odborný článek
Valence-electron-associated dislocation dissociation and glide mechanisms in transition-metal carbide and nitride alloys
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122505
