Metalliska material. Sammanfattande bedömning. Ämnesbeskrivning

Transkript

1 Metalliska material Sammanfattande bedömning Ämnet metalliska material som huvudsakligen omfattar metalliska konstruktionsmaterial till exempel stål, aluminium och nickelbaslegeringar är mycket starkt i Sverige. Särskilt starka fält är ab initio-modellering baserade på densitetsfunktionalteori, Calphad-modellering för jämvikter och omvandlingar i komplexa legeringar, strukturkarakterisering, där exempelvis atomsondstomografi möjliggör kartläggning av den kemiska sammansättningen atom för atom, och elektronmikroskopi som har en stark position trots att Sverige saknar ett nationellt centrum av den typ som finns i många andra länder. Studiet av ytor i samband med korrosion och tribologi är ett svenskt styrkeområde. Industrisamverkan är ett viktigt inslag i den svenska materialforskningen och medför att akademin får större möjligheter att bedöma vilken forskning som är strategiskt viktig och att industrin snabbt kan anamma nya tekniker. Svaga, men viktiga fält är grundläggande studier av mekaniska egenskaper, metallers uppträdande under bestrålning, samt användning av neutroner inom materialvetenskapen. Den tydligaste trenden inom ämnet innebär att teori och experimentell karakterisering integreras över många längd- och tidsskalor, alltifrån enskilda atomer upp till komponentnivå, från tider omfattande atomernas vibrationer till livslängden hos tekniska system. Man kan tala om integrerade beräkningsmetoder inom materialtekniken. I denna trend utgör dock experimentella undersökningar en omistlig del för validering. Hoten mot forskningen inom området hänger samman med formerna för dess finansiering. Nya möjligheter erbjuds av infrastruktursatsningar såsom Petra III och ESS samt utökat samarbete med asiatiska universitet. Ämnesbeskrivning Metalliska material omfattar metalliska konstruktionsmaterial såsom stål, aluminium och nickelbaslegeringar. Stål är i sig ett stort område, där Sverige har varit och är mycket framgångsrikt, både vetenskapligt och industriellt, och innefattar som de viktigaste forskningsfälten: - höghållfasta låglegerade stål; - verktygsstål; - rostfria stål; - pulverstål. En viktig del utgörs även av metalliska funktionella material såsom magnetiska material, transformatorplåt och minnesmetaller. Under senare år har stort intresse riktats mot biokompatibilitet, till exempel hur metaller växelverkar med människokroppen i medicinska tillämpningar och med naturen rent allmänt. Namnet till trots räknas hårdmetall oftast som en keram och behandlas därför under detta avsnitt. Materialvetenskaplig forskning kan ha ganska olika karaktär beroende på vilken del av den materialvetenskapliga kedjan, tillverkning struktur egenskaper, som beforskas. Inom

2 tillverkning räknas även in områden som gjutning, plastisk bearbetning, värmebehandling och fogning genom exempelvis svetsning eller lödning. Med struktur avses strukturelement allt ifrån atomär nivå, såsom olika typer av kristalldefekter, kristallstrukturer, nanostrukturer, via mesostrukturer upp till porer och sprickor som ofta kan observeras med blotta ögat. Dessa strukturelement, som uppkommer vid tillverkningen och förändras vid användning, bestämmer materialets egenskaper. Ett vitt spektrum av egenskaper är intressanta, till exempel styrka, seghet, formbarhet, korrosionsmotstånd, elektriska och magnetiska egenskaper. Ytterst handlar materialvetenskaplig forskning därför om att kartlägga och förstå hur materialets struktur och egenskaper påverkas av legeringssammansättning, temperatur, tid, yttre belastning och miljö etcetera. Styrkor, svagheter och ämnesmässiga trender Styrkor Från att ha varit ett huvudsakligen experimentellt ämne har de senaste decennierna karakteriserats av en massiv tillväxt av olika metoder att matematiskt modellera viktiga aspekter hos metalliska material. Ur ett internationellt perspektiv är den svenska forskningen inom området mycket stark och delvis världsledande inom följande forskningsfält: Modellering Ab initio-metoder baserade på densitetsfunktionalteori har möjliggjort beräkning av vissa storheter som är svåra att bestämma experimentellt såsom fasstabiliteter för icke stabila faser, olika typer av gitterdefekter, staplingsfelsenergier och energier för gränsytor. Även vissa kinetiska storheter såsom aktiveringsenergier kan beräknas. Dylika aktiviteter finns vid flera svenska universitet men inom metalliska material främst på KTH och Chalmers. Calphad-metoden, som innebär att experimentell information analyseras utifrån termodynamikens och kinetikens lagar och representeras med kontinuummodeller från statistiska mekaniken, tillämpas för att förutsäga jämvikter och omvandlingar i komplexa legeringar. De internationellt mest välkända koderna inom fältet, Thermo-Calc och DICTRA, utvecklades ursprungligen vid KTH och finns nu kommersiellt tillgänglig över hela värden. Vid KTH vidareutvecklas Calphad-metoden och särskilt intressant är kombinationen av ab initioberäkningar och Calphad-metoden. Strukturkarakterisering Atomsondstomografi gör det möjligt att studera den kemiska sammansättningen atom för atom, vilket innebär att tidiga stadier av clusterbildning och utskiljningsförlopp kan studeras på ett sätt som inte var möjligt bara för några år sedan. I Sverige finns denna teknik bara på Chalmers. Elektronmikroskopi omfattar nu ett antal olika tekniker. Särskilt kan nämnas diffraktion med bakåtspridda elektroner, som gör det möjligt att studera kristallografiska aspekter på mikronivå och transmissionselektronmikroskopi med energifiltrering, som kan kartlägga variationer i den kemiska sammansättningen på nanonivå. Vid de flesta svenska universitet finns elektronmikroskopi i varierande grad men inom området metalliska material är det främst aktiviteterna på Chalmers, LiU och på Swerea-Kimab som förtjänar att nämnas. Det måste dock understrykas att Sverige saknar ett nationellt centrum i elektronmikroskopi av den typ som finns i många andra länder, till exempel vid DTU i Danmark.

3 Korrosionsförlopp Det experimentella studiet av korrosionsförlopp i olika miljöer, till exempel vid rumstemperatur och atmosfär, vid kroppstemperatur i människokroppen eller vid förhöjd temperatur i exempelvis förbränningsanläggningar har fått helt nya verktyg i form av olika prober där elektrokemiska egenskaper kan mätas lokalt och kopplas till variationer i mikrostrukturen. Denna verksamhet sker främst på KTH och Chalmers. Tribologi, friktion och nötning Tribologiska egenskaper, såsom nötning och friktion, är liksom korrosionsförlopp kopplat till metallytans struktur och uppträdande och av utomordentligt stor praktisk betydelse. Här finns i Sverige en lång och stark tradition, som främst härstammar från UU men nu även finns i betydande omfattning på till exempel LTU. Från att tidigare varit ett empiriskt fält med relativt enkla försöksmetoder har genom den starka utvecklingen av ytkarakteriseringsmetoder nya möjligheter öppnats. Intressant är även försök att teoretiskt koppla dessa fenomen till mer grundläggande fysikaliska principer med ab initio-beräkningar. Det bör även nämnas att en betydande verksamhet är inriktad mod tribologi hos tunnfilmsbeläggningar på olika substrat såsom hårdmetall. Industrisamverkan I Sverige sker forskningen inom området oftast i nära samverkan med industrin. Att detta är fallet för den mer tillämpade forskningen inom Swerea-koncernen är naturligtvis självklart men att även en så stor del av områdets mer grundläggande forskning vid universiteten sker i nära samverkan med industrin är ovanligt ur ett internationellt perspektiv och får anses som en styrka. Industrisamverkan medför att akademin får större möjligheter att bedöma vilken forskning som är strategiskt viktig och att industrin snabbt kan anamma nya tekniker. Exempelvis kan man konstatera att samverkan mellan industri och akademi är en del av förklaringen till det svenska stålets starka position. En fara med industrisamverkan, vilken berörs i ett senare avsnitt, är att den kan tendera att bli alltför kortsiktigt inriktad om inte båda parter medvetet undviker detta. Detta kräver ett starkt industriellt och akademiskt ledarskap där båda parterna är på det klara med samarbetets förutsättningar. Svagheter Mekaniska egenskaper Under och 1970-talen hade Sverige en internationellt framskjuten plats då det gäller metallers mekaniska egenskaper. Epokgörande arbeten, som omfattade elektronmikroskopiska och teoretiska studier av dislokationsstrukturer och plastisk deformation, utfördes vid främst KTH och dåvarande institutet för metallforskning. Under 1980-talet minskade denna verksamhet dramatiskt och försvann nästan helt. Internationellt sett har detta fält dock genomgått en mycket intressant utveckling under de senaste åren och man kan genom nya experimentella och teoretiska tekniker angripa gamla och nya problemställningar på ett nytt sätt. Särskilt intressanta problemställningar omfattar deformation av heterogena strukturer såsom flerfasmaterial, gradientstrukturer och skiktbeläggningar samt deformation av nanokristallina och amorfa metaller. Av stort tekniskt och vetenskapligt intresse är även kopplingen mellan korrosion och deformationsförlopp.

4 Metallers uppträdande under bestrålning Under den svenska kärnkraftutbyggnaden var detta fält ett svenskt styrkeområde som dock i det närmsta utraderades då debatten om kärnkraften var som mest intensiv under senare halvan av 1970-talet. Eftersom de individer som en gång hade expertisen inte längre är aktiva måste kunskapen inom detta viktiga fält nu byggas upp från grunden igen. Användning av neutroner inom materialvetenskapen Även neutronfysiken, med inriktning mot materialkarakterisering, var för svenskt vidkommande ett relativt välutvecklat fält fram till 1980-talet. Särskilt i studiet av smältor och metallglaser var detta en viktig teknik som ofta kombinerades med atomistiska simuleringar. När nu satsningen på ESS i Lund kommer till stånd är det viktigt att på nytt bygga upp detta fält. Den experimentella delen måste då kombineras med atomistiska simuleringar, se avsnittet om Styrkor. Ämnesmässiga trender Den kanske mest tydliga trenden internationellt sett, som växt fram under det senaste decenniet, innebär att teori och experimentell karakterisering integreras över många längd- och tidsskalor, alltifrån enskilda atomer upp till komponentnivå, från tider omfattande atomernas vibrationer till livslängden hos tekniska system. Då det gäller den teoretiska sidan kallas detta ofta integrated computational materials engineering, vilket fritt skulle kunna översättas med integrerade beräkningsmetoder inom materialtekniken. För validering av beräkningsresultaten behövs dock experimentella studier på alla de ingående nivåerna i rum och tid. Synkrotronstrålemetoder utnyttjas i allt högre utsträckning för strukturkarakterisering. Särskilt in situ-studier av omvandlingsförlopp ger viktig information som inte tidigare kunnat erhållas på annat sätt. Här är både diffraktionsstudier och ren strukturavbildning av stort intresse. Som nu klassiska exempel kan man nämna de studier som holländska och danska forskare presenterade på omvandlingar i stål under svalning 2002 och de studier som norska forskare gjort på stelning av aluminiumlegeringar några år senare. En annan mycket tydlig trend, som är nära kopplad till den först nämnda, är den snabbt framväxande floran av avancerade matematiska beräkningsmetoder alltifrån olika ab initioapproximationer, atomistiska beräkningar grundade på Monte Carlo- eller molekylardynamik, till kontinuumbeskrivningar där fasfältsmetoden särskilt måste nämnas. Fasfältsmetoden har visat sig mycket flexibel. Från det att den introducerades i mitten av 1990-talet, då den utnyttjades till att förutsäga strukturutveckling under stelningsförlopp, har den generaliserats inte bara till omvandlingar i fast fas utan även till att simulera till exempel plastisk deformation och spricktillväxt. En intressant utveckling är den så kallade phase-field crystal -metoden som kan bli ett alternativ till de atomistiska simuleringsmetoderna. En tydlig trend är att enklare experimentell karakterisering, till exempel dragprovning och utmattningsprovning, är på väg bort från de västerländska och svenska universiteten för att istället växa kraftigt i Asien. I Sverige kommer istället avancerad strukturkarakterisering och matematisk modellering.

5 Hot och möjligheter Hot De främsta hoten mot ämnets utveckling är: Kortsiktig finansiering Många projekt finansieras under 2 3 år vilket oftast är för kort tid för mera innovativa arbeten och definitivt för kort tid för ett doktorandarbete som kräver 4 5 år. Man får räkna med att det i regel tar ett doktorandprojekt att utveckla ett nytt fält. För kort tidshorisont I vissa projekt är det vanligt att det sker en utvärdering redan efter ett par år och forskningen måste därför styras så att det finns intressanta resultat att redovisa vid utvärderingen. Detta kan leda till felaktiga prioriteringar. Alltför stark målstyrning Inom större forskningssamarbeten är det vanligt att forskningen leds av en styrelse eller styrgrupp. För att underlätta dess arbete krävs väldefinierade mål som man kan kontrollera om de uppfyllts eller ej. Detta kan leda till att forskningen får en olämplig inriktning. Detta kan undvikas om styrelse och projektledare visar klokhet och mognad. För höga personalkostnader Kostnaden för doktorander och unga forskare är i internationell jämförelse höga i Sverige. Möjligheter De stora möjligheter som på sikt erbjuds genom ESS-satsningen i Lund och strålröret Petra III i Hamburg, vilket skall inriktas mot materialforskning, erbjuder dramatiskt nya möjligheter för strukturkarakterisering vilka framgent måste utnyttjas. För detta krävs en rejäl kompetensuppbyggnad hos svenska forskare. Svensk materialforskning, inte minst då det gäller metalliska material, har en stark internationell position, vilket är särskilt viktigt i Asien där nu stora forskningssatsningar görs inom området. Det är viktigt att svenska forskare etablerar goda kontakter med forskare i Kina, Korea, Japan och Indien. Forskningsinfrastruktur Avsaknaden av ett svenskt centrum för elektronmikroskopi för metalliska material samt de möjligheter som synkrotronstråleteknik och neutronbaserade metoder erbjuder har redan berörts, se ovan.