Een team van onderzoekers ontdekte dat willekeurig geselecteerde, hoge Hoek, algemene korrelgrenzen in een nikkel-bismut (Ni-Bi) polykristallijne legering kunnen een grensvlakreconstructie ondergaan om geordende superstructuren te vormen, een ontdekking die de theorieën en fundamentele inzichten van zowel korrelgrenssegregatie als vloeibaar metaalverbrossing in fysieke metallurgie verrijkt.

Deze ontdekking toont aan dat door segregatie geïnduceerde geordende superstructuren niet beperkt zijn tot speciale korrelgrenzen die inherent periodiek zijn, maar kan voorkomen bij een verscheidenheid aan algemene korrelgrenzen waarvan werd gedacht dat ze geen lange-afstandsorde hadden; Vandaar, ze kunnen de prestaties van polykristallijne technische legeringen beïnvloeden.

Het team, waaronder professor nano-engineering Jian Luo hier aan de Universiteit van Californië in San Diego als co-corresponderende auteur samen met professor Martin Harmer aan de Lehigh University, legt hun bevindingen uit in de 6 oktober, 2017 uitgave van Wetenschap .

Onderzoekers observeerden en onderzochten door segregatie geïnduceerde superstructuren op willekeurig geselecteerde algemene korrelgrenzen van een Ni-Bi polykristallijne legering via aberratie-gecorrigeerde scanning transmissie-elektronenmicroscopie (AC STEM), in combinatie met eerste-principes dichtheidsfunctionaaltheorie berekeningen.

Korrelgrenzen zijn interne interfaces in polykristallijne materialen die vaak de eigenschappen van de materialen bepalen. De segregatie van legeringselementen of onzuiverheden bij korrelgrenzen kan aanzienlijk veranderen, vaak ernstig verslechteren, de mechanische en fysische eigenschappen van samengestelde legeringen.

Voorafgaande studies van korrelgrens- en segregatiestructuren op atomair niveau waren vooral gericht op kleine-hoek of speciale symmetrische kantel- en draaigrenzen met hoge symmetrieën en goed gedefinieerde periodiciteiten in kunstmatige bicrystals. Echter, de meeste korrelgrenzen in polykristallijne materialen zijn zogenaamde "algemene" korrelgrenzen met een gemengd kantel- en draaikarakter, die niet goed worden begrepen vanwege de moeilijkheden bij het karakteriseren en modelleren ervan. Nog, dergelijke algemene korrelgrenzen zijn mechanisch en chemisch vaak aanzienlijk zwakker dan de goed bestudeerde speciale korrelgrenzen, waardoor de eigenschappen en prestaties van technische materialen worden beperkt. Hier, een traditionele opvatting is dat deze algemene korrelgrenzen met een hoge hoek geen grensvlakreconstructies hoeven te ondergaan om geordende superstructuren te vormen, omdat een roosterovereenkomst tussen de twee aangrenzende korrels ontbreekt. Dit traditionele geloof wordt uitgedaagd door dit nieuwe rapport in Wetenschap .

Specifieker, grensvlakreconstructies die de 2-D translationele symmetrieën veranderen, waarvan bekend is dat ze vaak voorkomen op kristallijne oppervlakken, werden onmogelijk geacht te worden gerealiseerd bij algemene korrelgrenzen die translatiesymmetrieën op lange afstand zouden moeten missen. Maar onderzoekers toonden aan dat het mogelijk wordt gemaakt door facetten, evenals de vorming van stappen op atomair niveau aan de korrelgrenzen, waarmee afzonderlijke grensvlakreconstructies kunnen plaatsvinden op beide korreloppervlakvlakken in een unieke "dubbellaagse" grensvlakfase (waarbij een "grensvlakfase" verwijst naar een thermodynamisch 2D-fase die spontaan is gevormd op een grensvlak, wat ook wel een "teint" wordt genoemd).

Specifiek voor dit nikkel-bismutsysteem, dergelijke grensvlak-superstructuren zijn de hoofdoorzaak van een mysterieus fenomeen genaamd "vloeibare metaalverbrossing, "waarbij een normaal ductiel nikkelmetaal of een op nikkel gebaseerde legering catastrofaal kan falen op een extreem brosse manier in contact met een op bismut gebaseerd vloeibaar metaal.

Dit werk is een verdere aanzienlijke vooruitgang van Luo's eerdere samenwerkingsonderzoek met Lehigh University dat zes jaar geleden werd gepubliceerd [Luo et al., Wetenschap 333:1730-1733 (2011)].

In dat eerdere werk onderzoekers ontdekten deze tweelaagse grensvlakfase die verantwoordelijk is voor de mysterieuze brosheid van vloeibaar metaal in nikkel-bismut, maar de exacte atomaire structuren van de dubbellagen waren op dat moment niet bepaald. specifiek, het was onduidelijk of de gescheiden bismutatomen gereconstrueerde superstructuren kunnen vormen, waarvan het bestaan ​​niet werd verwacht aan de algemene korrelgrenzen, maar zijn onthuld in deze nieuwe studie. Een andere wetenschappelijk interessante observatie van de huidige studie is dat de grensvlakreconstructie wordt aangedreven en gedicteerd door de oriëntatie van het eindigende korreloppervlak, in plaats van door een verkeerde oriëntatie van het rooster tussen de twee aangrenzende korrels, zoals algemeen wordt aangenomen in de klassieke fysische metallurgie.

Onderzoekers geloven dat deze nieuwe en enigszins verrassende ontdekkingen wetenschappelijk belangrijk zijn en ons fundamentele begrip van de algemene korrelgrenzen verrijken die vaak de prestatie-eigenschappen van verschillende polykristallijne technische materialen bepalen.

Dit werk werd voornamelijk ondersteund door een ONR MURI-project onder leiding van professor Martin Harmer aan de Lehigh University (2011-2017). De eerste auteur van dit artikel is Dr. Zhiyang Yu, die momenteel universitair hoofddocent is aan de Xiamen University of Technology in China. Dit werk was ook een samenwerking met professor Patrick R. Cantwell van het Rose-Hulman Institute of Technology, Professor Michael Widom en zijn student, Dr. Qin Gao, en professor Gregory S. Rohrer aan de Carnegie Mellon University, Dr. Denise Yin aan de Lehigh University, en Dr. Yuanyao Zhang en Dr. Naixie Zhou, die beiden onlangs hun Ph.D. graden in Materials Science and Engineering van UC San Diego.

In een bredere wetenschappelijke context, deze studie verrijkt het fundamentele begrip van 2-D grensvlakfasen of teint die de fabricageverwerking kunnen beïnvloeden, microstructurele ontwikkeling, en een scala aan mechanische, elektronisch, ionisch, en andere fysieke eigenschappen van zowel metalen als keramische materialen. In een afzonderlijk lopend Vannevar Bush Faculty Fellowship-project (voorheen National Security Science and Engineering Faculty Fellowship), Professor Luo en zijn team ontwikkelen ook grensvlakfasediagrammen om een ​​betere controle van dergelijke 2D grensvlakfasen in het algemeen te verkrijgen.