Nærbilleder af korngrænser afslører, hvordan svovlurenheder gør nikkel skørt

Ingeniører ved University of California San Diego har kastet nyt lys over et videnskabeligt mysterium vedrørende mekanismen på atomniveau af svovlskørhed af nikkel, et klassisk problem, der har undret det videnskabelige samfund i næsten et århundrede. Opdagelsen beriger også grundlæggende forståelse af generelle korngrænser, der ofte styrer de mekaniske og fysiske egenskaber af polykrystallinske materialer.

Undersøgelsen blev ledet af Jian Luo, en professor i nanoteknik og materialevidenskab og teknik ved UC San Diego Jacobs School of Engineering. Værket udkommer 17. juli i Naturkommunikation .

Siden begyndelsen af ​​1900-tallet, ingeniører og videnskabsmænd har erkendt, at svovlurenheder forårsager nikkel og andre duktile metaller, såsom jern og stål, at fejle ved lave stressniveauer. Svovlskørhed af metaller er af generel teknologisk betydning, fordi mange konstruerede legeringer bruges i svovlholdige miljøer, såsom de nikkelbaserede højtemperaturlegeringer, der bruges i næste generations kulfyrede kraftværker til at øge energieffektiviteten.

Forskere har vidst, at denne skørhed er relateret til korngrænsesegregeringen af ​​svovl, men de underliggende atomare mekanismer er forblevet uhåndgribelige.

UC San Diego-ingeniører har kastet nyt lys over disse mekanismer ved at undersøge generelle korngrænser i nikkelpolykrystaller dopet med svovl. De brugte en kombination af aberrationskorrigeret scanningstransmissionselektronmikroskopi og semi-grand-canonical ensemble atomistiske simuleringer.

Luos team fandt ud af, at konkurrence mellem grænseflader og uorden fører til skiftevis dannelse af amorfe-lignende og dobbeltlags-lignende facetter ved generelle korngrænser. De fandt også, at bipolære grænsefladestrukturer forårsager sprøde intergranulære brud mellem polære svovl-nikkel-strukturer, der er uordnet justeret i to modsatte retninger.

"Lignende mekanismer kan forårsage skørhed af korngrænser i andre metal-ikke-metalsystemer. Eksempler omfatter oxygen, svovl, phosphor- og brintskørhed af andre metaller og legeringer. Disse er af bred teknologisk betydning, " sagde Luo.

Dette arbejde fremmer yderligere tidligere forskning fra Luos gruppe om bismuth-skørhed af nikkel, som blev lavet i samarbejde med Lehigh University og offentliggjort i to efterfølgende rapporter i Videnskab i 2011 og 2017. Forskere opdagede, at højordnede grænsefladestrukturer dannes ved generelle korngrænser i bismuth-doteret nikkel. I det nye Naturkommunikation undersøgelse, Luos gruppe fandt ud af, at uordnede bipolære grænsefladestrukturer dannes i svovldoteret nikkel.

"Bismuth og svovl er to velkendte skøre urenheder for nikkel. Interessant nok, vi fandt ud af, at disse repræsenterer to ekstreme tilfælde af grænsefladestrukturer - ordnede versus uordnede, henholdsvis. Dermed, de kan betragtes som to klassiske eksempler på korngrænseskørhed med forskellige underliggende atomistiske strukturer, " sagde Luo.

Bortset fra skørhedsmekanismer, forskere siger, at denne undersøgelse kaster nyt lys over de mystiske unormale kornvækstfænomener i svovldoteret nikkel, og beriger grundlæggende forståelse af uordnede grænseflader. Denne undersøgelse udfordrer også en traditionel opfattelse ved at vise, at orienteringen af ​​korngrænsefacetten, i stedet for fejlorientering, dikterer grænsefladestrukturen.

"Dette arbejde udvider vores grundlæggende viden om materialegrænseflader ud over de velkarakteriserede ordnede grænseflader og særlige symmetriske grænser i kunstige bikrystaller, som har været i fokus for de fleste tidligere undersøgelser. Nu, vi har ny indsigt i de uordnede grænseflader og generelle korngrænser i polykrystaller i den virkelige verden, som ofte begrænser ydeevnen af ​​de fleste konstruerede materialer, " sagde Luo.