Korrelgrenzen zijn een van de meest prominente defecten in technische materialen die verschillende kristallieten scheiden, die hun kracht bepalen, corrosieweerstand en mislukking. Typisch, deze interfaces worden beschouwd als quasi tweedimensionale defecten en het beheersen van hun eigenschappen blijft een van de meest uitdagende taken in materiaalkunde. Echter, meer dan 50 jaar geleden werd het concept dat korrelgrenzen fasetransformaties kunnen ondergaan tot stand gebracht door thermodynamische concepten, maar ze zijn niet overwogen, omdat ze niet konden worden waargenomen. Dr. Christian Liebscher, hoofd van de groep "Advanced Transmission Electron Microscopy" en zijn teamleden aan het Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE), nu een manier gevonden om korrelgrensovergangen direct experimenteel te observeren. Met collega's van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), ONS., die de korrelgrenstransformaties heeft gemodelleerd, de onderzoekers publiceerden hun recente bevindingen in Natuur .

Hun resultaten zijn verrassend:"De zoektocht naar congruente transformaties heeft alle aspecten van een zoektocht naar een speld in een 6+C-dimensionale hooiberg, " zegt John W. Cahn, materiaalwetenschapper en expert voor thermodynamica. Het team vond zelfs twee van deze 'naalden'. De sleutel was om de microscopen met atomaire resolutie bij de MPIE te gebruiken om de transformerende interfaces direct te visualiseren.

"We hadden niet verwacht dat we korrelgrensfasetransformaties zouden zien, maar onze resultaten laten duidelijk zien dat twee korrelgrensmotieven naast elkaar bestaan ​​met verschillende atomaire arrangementen. de oriëntatie van het korrelgrensvlak, misoriëntatie van kristalliet en chemische samenstelling verandert niet. Door deze waarnemingen we moeten heroverwegen hoe interfaces zich gedragen terwijl ze een materiaal blootstellen aan temperatuur en/of stress, ", legt Liebscher uit.

Hij en zijn collega's analyseerden dunne films van puur koper, met name door atomaire opgeloste transmissie-elektronenmicroscopie. Op deze manier, ze ontsloten de korrelgrensfasen en bewezen hun co-existentie met atomaire precisie. De fasen kunnen atomistisch worden beschreven als motieven met parel- en domino-vormige structuur (zie Fig. 1). Dr. Timofey Frolov en Dr. Robert Rudd, van het Lawrence Livermore National Laboratory, de korrelgrensfasen gemodelleerd. Ze gebruikten een nieuw zoekalgoritme voor de korrelgrensstructuur, die in staat is om de experimenteel waargenomen structuren te vinden. Bovendien, hun moleculaire dynamica-simulaties bij eindige temperatuur onderzoeken de transformatiekinetiek. De voorspelde structuren lijken niet alleen perfect op de experimentele waarnemingen, maar laat zien dat de korrelgrensfasen in elkaar kunnen veranderen door temperatuur of spanning te veranderen. Aanvullend, de simulaties geven aan dat de korrelgrensfase-overgang, een nieuw lijndefect dat niet eerder is overwogen, is tariefcontrolerend.

"We ontdekten door te modelleren dat de snelheid van de transformatie grotendeels afhangt van de migratie van de faseovergang. Het duurt slechts enkele tientallen nanoseconden in het geval van een kort defect om de transformatie van de domino- naar de parelstructuur te voltooien. Terwijl geen transformatie wordt waargenomen wanneer de defectlengte enkele nanometers overschrijdt en plaatsvindt onder 500 K, " legt Dr. Thorsten Meiners uit, eerste auteur van de publicatie en voormalig promovendus aan de MPIE. Verder, de korrelgrensfasen worden gekenmerkt door verschillende eigenschappen, die bepalen hoe de interface fasen bewegen, hoe ze onzuiverheden opnemen of hoe ze mechanisch vervormen.

"Vandaar, begrijpen hoe korrelgrenzen transformeren geeft een nieuwe kijk op nog onverklaarde materiële fenomenen, zoals abnormale korrelgroei, en effent nieuwe manieren om interface-overgangen te beschouwen als een materiaalontwerpelement, " stelt prof. Gerhard Dehm, directeur bij de MPIE. De verschillende toestanden van korrelgrenzen of interfaces kunnen een sterke invloed hebben op het corrosiegedrag van materialen, hoe ze zich gedragen onder katalytische omstandigheden of zelfs een belangrijke rol spelen bij het falen van micro-elektronische apparaten. De wetenschappers streven ernaar de huidige waarnemingen uit te breiden tot experimenten die bij verschillende temperaturen worden gedaan, onder stress en in aanwezigheid van onzuiverheden. Het doel is om een ​​volledig begrip te krijgen van deze fasetransformaties, dus materiaaleigenschappen kunnen ontwerpen door gebruik te maken van een holistische korrelgrenstechniek.