Se hvordan korngrænser ændrer sig i et metal

Korngrænser er en af ​​de mest fremtrædende defekter i konstruktionsmaterialer, der adskiller forskellige krystallitter, som bestemmer deres styrke, korrosionsbestandighed og fejl. Typisk, disse grænseflader betragtes som kvasi todimensionelle defekter, og styring af deres egenskaber er fortsat en af ​​de mest udfordrende opgaver inden for materialeteknik. Imidlertid, for mere end 50 år siden blev konceptet om, at korngrænser kan undergå fasetransformationer, etableret af termodynamiske begreber, men de er ikke blevet overvejet, da de ikke kunne observeres. Dr. Christian Liebscher, leder af gruppen "Advanced Transmission Electron Microscopy" og hans teammedlemmer ved Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE), nu fundet en måde til direkte at observere korngrænseovergange eksperimentelt. Med kolleger fra Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), OS., hvem modellerede korngrænsetransformationer, forskerne offentliggjorde deres seneste fund i Natur .

Deres resultater er overraskende:"Søgningen efter kongruente transformationer har alle aspekter af en søgning efter en nål i en 6+C dimensionel høstak, "siger John W. Cahn, materialeforsker og ekspert i termodynamik. Holdet fandt endda to af disse "nåle". Nøglen var at udnytte atomopløsningsmikroskoper ved MPIE til direkte at visualisere de transformerende grænseflader.

"Vi forventede ikke, at vi ville se korngrænsefasetransformationer, men vores resultater viser klart, at to korngrænsemotiver sameksisterer med forskellige atomarrangementer. Men kornet grænseplan orientering, krystallitfejlorientering og kemisk sammensætning ændres ikke. Gennem disse observationer, vi er nødt til at genoverveje, hvordan grænseflader opfører sig, mens et materiale udsættes for temperatur og/eller stress, "forklarer Liebscher.

Han og hans kolleger analyserede tynde film af rent kobber især ved atomopløst transmissionselektronmikroskopi. Denne måde, de låste korngrænsefaserne op og beviste deres sameksistens med atompræcision. Faserne kan atomistisk beskrives som motiver med perle og dominoformet struktur (se fig. 1). Dr. Timofey Frolov og Dr. Robert Rudd, fra Lawrence Livermore National Laboratory, modellerede korngrænsefaserne. De brugte en ny algoritme til søgning af korngrænsestruktur, som er i stand til at finde de eksperimentelt observerede strukturer. I øvrigt, deres endelige temperatur molekylære dynamiksimuleringer udforsker transformationskinetikken. De forudsagte strukturer ligner ikke kun perfekt de eksperimentelle observationer, men demonstrer, at korngrænsefaserne kan transformere til hinanden ved at ændre temperatur eller spænding. Derudover simuleringerne indikerer, at korngrænsefaseforbindelsen, en ny linjefejl, der ikke tidligere er blevet overvejet, er rentestyrende.

"Vi opdagede ved modellering, at transformationshastigheden stort set afhænger af fasekrydsets migration. Det tager kun få snesevis af nanosekunder i tilfælde af en kort defekt for at fuldføre transformationen fra dominoen til perlestrukturen. Hvorimod ingen transformation observeres, når defektlængden overstiger et par nanometer og finder sted under 500 K, "forklarer Dr. Thorsten Meiners, første forfatter til publikationen og tidligere ph.d. -forsker ved MPIE. Desuden, korngrænsefaserne er kendetegnet ved forskellige egenskaber, som bestemmer, hvordan grænsefladefaserne bevæger sig, hvordan de optager urenhedselementer, eller hvordan de deformeres mekanisk.

"Derfor, forståelse af hvordan korngrænser transformerer giver et nyt syn på stadig uforklarlige materielle fænomener, såsom unormal kornvækst, og baner nye måder at betragte grænsefladeovergange som et materialedesignelement, "siger professor Gerhard Dehm, direktør hos MPIE. De forskellige tilstande af korngrænser eller grænseflader kan have en stærk indvirkning på korrosionsadfærd af materialer, hvordan de opfører sig under katalytiske forhold eller endda spiller en vigtig rolle ved fejl i mikroelektroniske enheder. Forskerne sigter mod at udvide de nuværende observationer til eksperimenter udført ved forskellige temperaturer, under stress og i nærvær af urenheder. Målet er at etablere en fuldstændig forståelse af disse fasetransformationer, dermed at kunne designe materialegenskaber ved at nå ud til en holistisk korngrænseteknik.