Tietokonemallinnuksella ruosteen ja rasituksen kestäviä rautaseoksia (Väitös: FM Eero Nurmi, 14.6.2019, teoreettinen fysiikka)
Metallien hyödyntämisellä on pitkä historia, mutta vasta nykyaikaiset menetelmät mahdollistavat metallien laskennallisen simuloimisen atomimittakaavassa. Eero Nurmi käsitteli väitöstutkimuksessaan rautaseosten hapettumista sekä titaanin ja rauta-kromi-alumiiniseoksen mekaanisia ominaisuuksia tietokonemallinnuksen avulla. Tutkimus lisää tietoa teollisuudessa paljon käytössä olevien metalliseosten korroosionkestävyydestä.
Rauta on yleisesti käytetty materiaali, jonka hyviin puoliin kuuluu kestävyys ja edullinen hinta. Rauta on kuitenkin altis korroosiolle eli ruostumiselle, jota voidaan estää seostamalla rautaan sopivia metalleja. Seosten ruostumattomuus perustuu suojaavien kerrosten muodostumiseen metallin pinnalle.
– Raudan oksidit tekevät pinnasta helposti vaurioutuvan, mikä nähdään käytännössä ruostumisen yhteydessä. Alumiinin tai kromin oksidit taas ovat ruosteenkestäviä. Toisaalta suuri määrä alumiinia tekee rauta-alumiiniseoksesta hauraan, kertoo Turun yliopistossa väittelevä Eero Nurmi.
Nurmi mallinsi väitöstutkimuksessaan tietokonesimulaatioiden avulla korroosiolta suojaavien oksidikalvojen muodostumista sekä rautaan lisättävien metallien vaikutusta seoksen haurauteen. Vastaavalla tavalla Nurmi tutki myös puhtaan titaanin kiteiden järjestymistä kylmävalssauksessa.
Tutkimuksessa havaittiin, että rauta-kromiseoksen korroosionkestävyys voidaan saavuttaa pienemmällä kromimäärällä, kun seokseen lisätään hieman vanadiinia.
– Vastaavasti rauta-alumiiniseoksen korroosionkestävyys voidaan saavuttaa pienemmällä määrällä alumiinia, kun seokseen lisätään kromia, jolloin myös seoksen mekaaniset ominaisuudet säilyvät hyvinä, Nurmi kertoo.
Kvanttimekaniikkaan pohjaava menetelmä mahdollistaa nopeammat ja halvemmat tutkimukset
Väitöstutkimuksessa esitetään seostettavien metallien sopivat pitoisuudet siten, että ne kestäisivät mahdollisimman hyvin sekä ruostetta, että rasitusta. Esimerkiksi rauta-alumiiniseoksen optimaaliselle seossuhteelle liiallisen haurauden estämiseksi esitettiin omat konsentraatiorajat.
– Tulokset perustuvat elastisten vakioiden laskemiseen. Tutkin väitöstyössäni tällä tavalla myös titaania. Laskennallisesti määritetyt elastiset vakiot esitetään yksikiteiselle ja monikiteiselle titaanille. Lisäksi esitetään laskennallinen tulos kylmävalssatun titaanin kiteiden asennolle, Nurmi sanoo.
Tutkimus tehtiin kvanttimekaniikkaan perustuvalla eksaktien muffin-tin orbitaali (EMTO) -menetelmällä. Menetelmällä ratkaistiin aineen elektronirakenne erilaisille kiderakenteille sekä systeemien kokonaisenergiat.
– Erilaisten systeemien energioita vertaamalla voidaan laskea esimerkiksi kemiallisten potentiaalien eroja sekä rakenteen muodonmuutoksiin liittyviä energiamuutoksia ja näiden avulla edelleen muita fysikaalisia suureita. Menetelmällä voidaan tehdä tutkimuksia, joiden tekeminen kokeellisesti olisi hidasta, kallista tai muuten vaikeaa toteuttaa, joskus jopa mahdotonta, Nurmi kiteyttää.
***
FM Eero Nurmi esittää väitöskirjansa ”Ab Initio Investigations of the Durability of Iron Alloys and Titanium” julkisesti tarkastettavaksi Turun yliopistossa perjantaina 14.6.2019 klo 12 (Turun yliopisto, Quantum, Auditorium, Vesilinnantie 5, Turku).
Vastaväittäjänä toimii professori Tapio Rantala (Tampereen yliopisto) ja kustoksena professori Kalevi Kokko (Turun yliopisto). Tilaisuus on suomenkielinen. Väitöksen alana on teoreettinen fysiikka.
