Short and medium range order in the rapidly solidified metallic liquid Ta: Atomic packing, connection modes, and pressure effect

Abstract

In this study, molecular dynamics (MD) simulations were utilized to explore the Short and Medium-Range Order (MRO) in the rapidly solidified metallic liquid tantalum (Ta). Radial distribution function (RDF) and Voronoi tessellation analysis (VTA) techniques were employed to thoroughly explore the effect of pressure on the connectivity and structural properties at the Short-Range Order (SRO) and MRO levels. Our findings indicate that, at a quenching rate of 1013 K s-1, glassy states are achieved at or below 20 GPa, while crystalline phases emerge at 25 GPa. VTA analysis indicates a significant alteration in the local structure of glassy Ta with increasing pressure. Specifically, the fraction of icosahedral-like clusters decreases while the fraction of crystal-like clusters rises notably. Furthermore, we highlight that icosahedral-like clusters strongly tend to form 3-atom connection mode, while crystal-like clusters prefer 2-atom and 4-atom connection modes. Notably, icosahedral-like clusters are identified as the primary contributors to the emergence of the left sub-peak in the second peak of the RDF. In contrast, all cluster types contribute to the appearance of the right sub-peak.

Recommended citation: Houba, El Ayoubi, Samiri, Atila, Hasnaoui. "Short and medium range order in the rapidly solidified metallic liquid Ta: Atomic packing, connection modes, and pressure effect." Materialia. 38().
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Plain Language Summary

🇬🇧 English
This study used computer simulations to investigate how pressure affects the atomic structure of rapidly solidified tantalum (Ta), a type of metal that can form a glassy state. The researchers found that applying pressure helps the metal solidify into a glass more easily. Specifically, at pressures up to 20 gigapascals (GPa), tantalum forms a glass, but at 25 GPa, it starts to form a crystalline structure. The way atoms connect to each other changes significantly with pressure, with more ordered, crystal-like connections forming at higher pressures, while less ordered, icosahedral-like connections become less common. The key findings reveal that different ways atoms connect (like sharing 2, 3, or 4 atoms) influence the material's structure and how it solidifies. Icosahedral-like clusters, which are more disordered, tend to form specific connections that contribute to the 'glassy' structure. Crystal-like clusters, which are more ordered, also form distinct connections. Understanding these atomic arrangements and how pressure influences them is crucial for designing new materials with specific properties, potentially leading to advancements in areas like high-strength alloys or materials for extreme environments.

🇸🇦 العربية
استخدمت هذه الدراسة محاكاة حاسوبية للتحقيق في كيفية تأثير الضغط على التركيب الذري للتنتالوم (Ta) المتصلب بسرعة، وهو نوع من المعادن يمكن أن يشكل حالة زجاجية. وجد الباحثون أن تطبيق الضغط يساعد المعدن على التصلب في شكل زجاجي بسهولة أكبر. على وجه التحديد، عند ضغوط تصل إلى 20 جيجا باسكال (GPa)، يشكل التنتالوم زجاجًا، ولكن عند 25 جيجا باسكال، يبدأ في تكوين بنية بلورية. تتغير طريقة ارتباط الذرات ببعضها البعض بشكل كبير مع الضغط، حيث تتشكل روابط أكثر ترتيبًا وشبيهة بالبلورات عند ضغوط أعلى، بينما تصبح الروابط الأقل ترتيبًا وشبيهة بالمجسمات الإحدى عشرية أقل شيوعًا. تكشف النتائج الرئيسية أن الطرق المختلفة التي ترتبط بها الذرات (مثل مشاركة ذرتين أو ثلاث أو أربع ذرات) تؤثر على بنية المادة وكيفية تصلبها. تميل المجموعات الشبيهة بالمجسمات الإحدى عشرية، وهي أكثر فوضوية، إلى تشكيل روابط محددة تساهم في البنية 'الزجاجية'. تشكل المجموعات الشبيهة بالبلورات، وهي أكثر ترتيبًا، روابط مميزة أيضًا. يعد فهم هذه الترتيبات الذرية وكيفية تأثير الضغط عليها أمرًا بالغ الأهمية لتصميم مواد جديدة ذات خصائص محددة، مما قد يؤدي إلى تقدم في مجالات مثل السبائك عالية القوة أو المواد للبيئات القاسية.

🇫🇷 Français
Cette étude a utilisé des simulations informatiques pour examiner comment la pression affecte la structure atomique du tantale (Ta) rapidement solidifié, un type de métal capable de former un état vitreux. Les chercheurs ont découvert que l'application de pression aide le métal à se solidifier plus facilement en un verre. Plus précisément, à des pressions allant jusqu'à 20 gigapascals (GPa), le tantale forme un verre, mais à 25 GPa, il commence à former une structure cristalline. La manière dont les atomes se connectent les uns aux autres change considérablement avec la pression, avec des connexions plus ordonnées, semblables à des cristaux, se formant à des pressions plus élevées, tandis que les connexions moins ordonnées, semblables à des icosaèdres, deviennent moins courantes. Les principales conclusions révèlent que les différentes façons dont les atomes se connectent (comme le partage de 2, 3 ou 4 atomes) influencent la structure du matériau et sa solidification. Les amas semblables à des icosaèdres, qui sont plus désordonnés, ont tendance à former des connexions spécifiques qui contribuent à la structure 'vitreuse'. Les amas semblables à des cristaux, qui sont plus ordonnés, forment également des connexions distinctes. Comprendre ces arrangements atomiques et comment la pression les influence est crucial pour concevoir de nouveaux matériaux aux propriétés spécifiques, conduisant potentiellement à des avancées dans des domaines tels que les alliages à haute résistance ou les matériaux pour environnements extrêmes.

🇩🇪 Deutsch
Diese Studie nutzte Computersimulationen, um zu untersuchen, wie Druck die atomare Struktur von schnell erstarrtem Tantal (Ta), einer Metallart, die einen glasartigen Zustand bilden kann, beeinflusst. Die Forscher fanden heraus, dass die Anwendung von Druck dem Metall hilft, leichter zu einem Glas zu erstarren. Insbesondere bildet Tantal bei Drücken bis zu 20 Gigapascal (GPa) ein Glas, während es bei 25 GPa beginnt, eine kristalline Struktur zu bilden. Die Art und Weise, wie sich Atome miteinander verbinden, ändert sich mit dem Druck erheblich, wobei sich bei höheren Drücken geordnetere, kristallähnliche Verbindungen bilden, während weniger geordnete, ikosaederähnliche Verbindungen seltener werden. Die wichtigsten Ergebnisse zeigen, dass verschiedene Arten der atomaren Verbindung (wie das Teilen von 2, 3 oder 4 Atomen) die Struktur des Materials und seine Verfestigung beeinflussen. Ikosaederähnliche Cluster, die ungeordneter sind, neigen dazu, spezifische Verbindungen zu bilden, die zur 'glasartigen' Struktur beitragen. Kristallähnliche Cluster, die geordneter sind, bilden ebenfalls deutliche Verbindungen. Das Verständnis dieser atomaren Anordnungen und wie der Druck sie beeinflusst, ist entscheidend für die Entwicklung neuer Materialien mit spezifischen Eigenschaften, was potenziell zu Fortschritten in Bereichen wie hochfeste Legierungen oder Materialien für extreme Umgebungen führen kann.