Bestilt, segregation-inducerede overbygninger ved generelle korngrænser

Et team af forskere fandt ud af, at tilfældigt udvalgte, høj vinkel, generelle korngrænser i en nikkel-vismut (Ni-Bi) polykrystallinsk legering kan gennemgå grænsefladerekonstruktion for at danne ordnede overbygninger, en opdagelse, der beriger teorierne og grundlæggende forståelser af både korngrænsesegregation og flydende metalskørhed i fysisk metallurgi.

Denne opdagelse viser, at segregation-inducerede ordnede overbygninger ikke er begrænset til specielle korngrænser, der i sagens natur er periodiske, men kan eksistere ved en række generelle korngrænser, som man troede manglede nogen lang rækkefølge; derfor, de kan påvirke ydeevnen af ​​polykrystallinske ingeniørlegeringer.

Holdet, inklusiv nanoingeniørprofessor Jian Luo her ved University of California San Diego som en co-korresponderende forfatter sammen med professor Martin Harmer ved Lehigh University, fremlægger deres resultater i den 6. okt. 2017 udgave af Videnskab .

Forskere observerede og undersøgte segregationsinducerede overbygninger ved tilfældigt udvalgte generelle korngrænser af en Ni-Bi polykrystallinsk legering via aberrationskorrigeret scanningstransmissionselektronmikroskopi (AC STEM), i forbindelse med de første principper tæthedsfunktionelle teoriberegninger.

Korngrænser er indre grænseflader i polykrystallinske materialer, der ofte styrer materialernes egenskaber. Adskillelsen af ​​legeringselementer eller urenheder ved korngrænser kan ændre markant, ofte alvorligt forringet, de mekaniske og fysiske egenskaber af manipulerede legeringer.

Tidligere studier af korngrænse- og segregationsstrukturer på atomniveau har for det meste været fokuseret på småvinklede eller specielle symmetriske hældnings- og snoningsgrænser med høje symmetrier og veldefinerede periodiciteter i kunstige bikrystaller. Imidlertid, de fleste korngrænser i polykrystallinske materialer er såkaldte "generelle" korngrænser med blandet hældning og snoning, som ikke er godt forstået på grund af vanskelighederne med at karakterisere og modellere dem. Endnu, sådanne generelle korngrænser er ofte væsentligt svagere mekanisk og kemisk end de velundersøgte specielle korngrænser, derved begrænse egenskaber og ydeevne af konstruerede materialer. Her, en traditionel opfattelse er, at disse højvinklede generelle korngrænser ikke må gennemgå grænsefladerekonstruktioner for at danne ordnede overbygninger, fordi der mangler et gittertilpasning mellem de to tilstødende korn. Denne traditionelle tro udfordres af denne nye rapport i Videnskab .

Mere specifikt, grænsefladerekonstruktioner, der ændrer 2-D translationssymmetrierne, som vides at forekomme hyppigt på krystallinske overflader, blev anset for umulige at realisere ved generelle korngrænser, der burde mangle langtrækkende translationelle symmetrier. Men forskere viste, at det er aktiveret ved facettering, samt dannelsen af ​​trin på atomniveau ved korngrænserne, som tillader separate grænsefladerekonstruktioner at forekomme ved begge afsluttende kornoverfladeplaner i en unik "dobbeltlags" grænsefladefase (hvor en "grænsefladefase" refererer til en termodynamisk 2-D fase spontant dannet ved en grænseflade, som også kaldes en "teint").

Specifikt for dette nikkel-vismut-system, sådanne grænsefladeoverbygninger er grundårsagen til et mystisk fænomen kaldet "skørhed i flydende metal, "hvor et normalt duktilt nikkelmetal eller en nikkelbaseret legering kan svigte katastrofalt på en ekstremt skør måde i kontakt med et vismutbaseret flydende metal.

Dette arbejde er et yderligere, betydelig fremgang af Luos tidligere forskningssamarbejde med Lehigh University offentliggjort for seks år siden [Luo et al., Videnskab 333:1730-1733 (2011)].

I det tidligere arbejde, forskere opdagede denne tolags grænsefladefase, der er ansvarlig for den mystiske, flydende metalskørhed i nikkel-vismut, men de nøjagtige atomare strukturer af dobbeltlagene var ikke blevet bestemt på det tidspunkt. Specifikt, det var uklart, om de adskilte bismuthatomer kan danne rekonstruerede overbygninger, hvis eksistens ikke var forventet ved de generelle korngrænser, men er blevet afsløret i denne nye undersøgelse. En anden videnskabeligt interessant observation af den nuværende undersøgelse er, at grænsefladerekonstruktionen er drevet og dikteret af orienteringen af ​​den afsluttende kornoverflade, snarere end ved gitter forkert orientering mellem de to tilstødende korn som almindeligt antaget i klassisk fysisk metallurgi.

Forskere mener, at disse nye og noget overraskende opdagelser er videnskabeligt vigtige og beriger vores grundlæggende forståelse af de generelle korngrænser, der ofte styrer ydeevneegenskaberne for forskellige polykrystallinske konstruerede materialer.

Dette arbejde blev primært støttet af et ONR MURI-projekt ledet af professor Martin Harmer ved Lehigh University (2011-2017). Den første forfatter til denne artikel er Dr. Zhiyang Yu, som i øjeblikket er lektor ved Xiamen University of Technology i Kina. Dette arbejde var også et samarbejde med professor Patrick R. Cantwell ved Rose-Hulman Institute of Technology, Professor Michael Widom og hans elev, Dr. Qin Gao, og professor Gregory S. Rohrer ved Carnegie Mellon University, Dr. Denise Yin ved Lehigh University, og Dr. Yuanyao Zhang og Dr. Naixie Zhou, som begge for nylig modtog deres ph.d. grader i Materials Science and Engineering fra UC San Diego.

I en bredere videnskabelig sammenhæng, denne undersøgelse beriger den grundlæggende forståelse af 2-D grænsefladefaser eller teint, der kan påvirke fremstillingsbehandling, mikrostrukturel udvikling, og et spektrum af mekaniske, elektronisk, ionisk, og andre fysiske egenskaber af både metalliske og keramiske materialer. I et separat igangværende Vannevar Bush Faculty Fellowship (tidligere National Security Science and Engineering Faculty Fellowship) projekt, Professor Luo og hans team udvikler også grænsefladefasediagrammer for at hjælpe med at opnå bedre kontrol af sådanne 2D-grænsefladefaser generelt.