Ingenieurs van de Universiteit van Californië in San Diego hebben nieuw licht geworpen op een wetenschappelijk mysterie met betrekking tot het mechanisme op atomair niveau van de zwavelverbrossing van nikkel, een klassiek probleem dat de wetenschappelijke gemeenschap al bijna een eeuw bezighoudt. De ontdekking verrijkt ook het fundamentele begrip van algemene korrelgrenzen die vaak de mechanische en fysieke eigenschappen van polykristallijne materialen beheersen.

De studie werd geleid door Jian Luo, een professor in nano-engineering en materiaalwetenschappen en engineering aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering. Het werk is gepubliceerd op 17 juli in Natuurcommunicatie .

Sinds het begin van de twintigste eeuw, ingenieurs en wetenschappers hebben erkend dat zwavelverontreinigingen nikkel en andere ductiele metalen veroorzaken, zoals ijzer en staal, falen bij lage stressniveaus. Zwavelverbrossing van metalen is van algemeen technologisch belang omdat veel samengestelde legeringen worden gebruikt in zwavelhoudende omgevingen, zoals de op nikkel gebaseerde legeringen voor hoge temperaturen die worden gebruikt in kolengestookte elektriciteitscentrales van de volgende generatie voor het verhogen van de energie-efficiëntie.

Onderzoekers weten dat deze brosheid verband houdt met de korrelgrensscheiding van zwavel, maar de onderliggende atomaire mechanismen zijn ongrijpbaar gebleven.

Ingenieurs van UC San Diego hebben nieuw licht geworpen op deze mechanismen door algemene korrelgrenzen te onderzoeken in nikkelpolykristallen die zijn gedoteerd met zwavel. Ze gebruikten een combinatie van aberratie-gecorrigeerde scanning transmissie-elektronenmicroscopie en semi-grand-canonieke ensemble-atomistische simulaties.

Luo's team ontdekte dat concurrentie tussen grensvlakordening en wanorde leidt tot de afwisselende vorming van amorf-achtige en dubbellaag-achtige facetten op algemene korrelgrenzen. Ze ontdekten ook dat bipolaire grensvlakstructuren brosse intergranulaire breuken veroorzaken tussen polaire zwavel-nikkelstructuren die wanordelijk zijn uitgelijnd in twee tegengestelde richtingen.

"Vergelijkbare mechanismen kunnen korrelgrensverbrosheid veroorzaken in andere metaal-niet-metalen systemen. Voorbeelden zijn zuurstof, zwavel, fosfor- en waterstofbrosheid van andere metalen en legeringen. Deze zijn van breed technologisch belang, ' zei Luo.

Dit werk is een voortzetting van eerder onderzoek door Luo's groep naar de bismutverbrossing van nikkel, die werd gedaan in samenwerking met Lehigh University en gepubliceerd in twee opeenvolgende rapporten in Wetenschap in 2011 en 2017. Onderzoekers ontdekten dat zich zeer geordende grensvlakstructuren vormen op algemene korrelgrenzen in met bismut gedoteerd nikkel. in het nieuwe Natuurcommunicatie studie, De groep van Luo ontdekte dat ongeordende bipolaire grensvlakstructuren worden gevormd in met zwavel gedoteerd nikkel.

"Bismut en zwavel zijn twee bekende brosse onzuiverheden voor nikkel. Interessant is dat we ontdekten dat deze twee extreme gevallen van grensvlakstructuren vertegenwoordigen:geordend versus ongeordend, respectievelijk. Dus, ze kunnen worden beschouwd als twee klassieke voorbeelden van korrelgrensverbrossing met verschillende onderliggende atomistische structuren, ' zei Luo.

Afgezien van verbrossingsmechanismen, onderzoekers zeggen dat deze studie nieuw licht werpt op de mysterieuze abnormale korrelgroeiverschijnselen in met zwavel gedoteerd nikkel, en verrijkt fundamenteel begrip van ongeordende interfaces. Deze studie daagt ook een traditionele visie uit door aan te tonen dat de oriëntatie van het korrelgrensfacet, in plaats van de verkeerde oriëntatie, bepaalt de grensvlakstructuur.

"Dit werk verbreedt onze fundamentele kennis van materiaalinterfaces voorbij de goed gekarakteriseerde geordende interfaces en speciale symmetrische grenzen in kunstmatige bicrystals die de focus waren van de meeste eerdere studies. Nu, we hebben nieuw inzicht in de ongeordende interfaces en algemene korrelgrenzen in echte polykristallen, die vaak de prestaties van de meeste technische materialen beperken, ' zei Luo.