At se lette elementer i en korngrænse:Afslørende materialeegenskaber ned til atomskalaen

For at udvikle avancerede materialer er en dyb forståelse af deres underliggende mikrostruktur og kemi nødvendig. At vide, hvordan defekter påvirker samspillet mellem mikrostruktur og kemisk sammensætning, er afgørende, da de er indgangsporten til materialesvigt på grund af korrosion eller revneinitiering.

Forskere fra Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) har nu udviklet en arbejdsgang og kode til at analysere og fortolke todimensionelle defekter, kendt som korngrænser, i stål. De identificerede, at visse ordnede atommotiver, det mindste strukturelle hierarkiske niveau i materialer, styrer de vigtigste kemiske egenskaber ved korngrænser. Engineering disse atomare motiver baner vejen for mere holdbare, skræddersyede materialer. MPIE-forskerne offentliggjorde deres resultater i Nature Communications .

Atomiske motiver styrer korngrænsernes kemiske egenskaber

"De to vigtigste udfordringer ved at analysere korngrænser ned til deres atomare skala er for det første den enorme mængde af parametre, der skal kontrolleres for at forstå effekten af ​​hver parameter på materialets egenskaber. Og for det andet vanskeligheden ved at observere lette elementer med transmissionselektronmikroskopi," forklarer Dr. Xuyang Zhou, førsteforfatter af publikationen og stedfortrædende leder af Atom Probe Tomography-gruppen på MPIE.

"Vi udviklede en arbejdsgang og kode til transmissionselektronmikroskopi, der involverer dyrkning af bikrystaller af en jern-bor-carbon-legering med samme krystalorientering, men med skiftende korngrænseplaner. På denne måde var vi i stand til at kontrollere de interfererende parametre. At fortolke dataene , Jeg udviklede en kode, der hjælper med at se lette grundstoffer som bor og kulstof i jernkorngrænserne. Det er faktisk første gang, vi har været i stand til at observere lette grundstoffer i tungmetallers korngrænser, som jern."

Forskerne viste, at selv den blotte hældning i korngrænseplanet med identisk fejlorientering påvirker den kemiske sammensætning og atomarrangement af mikrostrukturen og gør materialet mere eller mindre udsat for fejl.

"Indtil nu har det ikke været muligt at afbilde de lette og tunge grundstoffer i de atomare motiver af korngrænser i stål. Især det åbne rum i ordnede atomare strukturer, såkaldte interstitielle steder, bestemmer opløseligheden af ​​lette grundstoffer i en korngrænse. Dette vil i fremtiden muliggøre målrettet design og passivering af den kemiske tilstand af korngrænser for at frigøre dem fra deres rolle som indgangsporte for korrosion, brintskørhed eller mekanisk svigt," forklarer prof. Gerhard Dehm, medforfatter til publikationen og direktør for MPIE Structure and Nano-/Micromechanics of Materials afdelingen.

Forskerne brugte også maskinlæring til at analysere korngrænsesammensætningen i data opnået gennem atomsondetomografi. Tomografien viser, hvordan forskellige elementer er fordelt i korngrænsen, hvilket giver mulighed for at generere statistisk analyse af struktur-sammensætning-korrelationen.

Næste trin:Simuleringer og in-situ test

Forskerholdet arbejder nu sammen med Computational Materials Design-afdelingen hos MPIE for at bruge den udviklede kode og eksperimentelle data til at simulere, hvordan lette elementer som bor, kulstof eller brint opfører sig i materialer.

Desuden udvikler Zhou og hans kolleger opsætninger til in-situ opvarmning og træktest i transmissionselektronmikroskoper for yderligere at analysere korngrænseadfærden under skiftende ydre forhold. Denne undersøgelse giver direkte eksperimentel dokumentation for at forstå den kemiske natur af korngrænser på basis af deres strukturelle egenskaber på atomare skala.

Flere oplysninger: Xuyang Zhou et al., Atomiske motiver styrer dekorationen af ​​korngrænser af interstitielle opløste stoffer, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-39302-x

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Max Planck Society