Om geavanceerde materialen te ontwikkelen is een diepgaand begrip van hun onderliggende microstructuur en chemie noodzakelijk. Weten hoe defecten de wisselwerking tussen microstructuur en chemische samenstelling beïnvloeden, is van cruciaal belang, omdat ze de toegangspoort vormen tot materiaalfalen als gevolg van corrosie of het ontstaan ​​van scheuren.

Wetenschappers van het Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) hebben nu een workflow en code ontwikkeld voor het analyseren en interpreteren van tweedimensionale defecten, bekend als korrelgrenzen, in staal. Ze identificeerden dat bepaalde geordende atomaire motieven, het kleinste structurele hiërarchische niveau in materialen, de belangrijkste chemische eigenschappen van korrelgrenzen bepalen. Het ontwikkelen van deze atomaire motieven maakt de weg vrij voor duurzamere, op maat gemaakte materialen. De MPIE-onderzoekers publiceerden hun resultaten in Nature Communications .

Atomische motieven bepalen de chemische eigenschappen van korrelgrenzen

"De twee belangrijkste uitdagingen bij het analyseren van korrelgrenzen tot op atomaire schaal zijn ten eerste de enorme hoeveelheid parameters die moeten worden gecontroleerd om het effect van elke parameter op de eigenschappen van het materiaal te begrijpen. En ten tweede de moeilijkheid om lichte elementen te observeren met transmissie-elektronenmicroscopie", legt Dr. Xuyang Zhou uit, eerste auteur van de publicatie en plaatsvervangend hoofd van de Atom Probe Tomography-groep bij MPIE.

"We hebben een workflow en code ontwikkeld voor transmissie-elektronenmicroscopie waarbij bikristallen van een ijzer-boor-koolstoflegering met dezelfde kristaloriëntatie maar veranderende korrelgrensvlakken worden gekweekt. Op deze manier konden we de interfererende parameters controleren. Om de gegevens te interpreteren , heb ik een code ontwikkeld die helpt bij het zien van lichte elementen zoals boor en koolstof in de korrelgrenzen van ijzer. Dat is feitelijk de eerste keer dat we lichte elementen kunnen waarnemen in de korrelgrenzen van zware metalen, zoals ijzer."

De onderzoekers toonden aan dat zelfs de loutere kanteling van het korrelgrensvlak met identieke misoriëntatie de chemische samenstelling en atomaire rangschikking van de microstructuur beïnvloedt en het materiaal min of meer vatbaar maakt voor falen.

"Tot nu toe was het niet mogelijk om de lichte en zware elementen in de atomaire motieven van korrelgrenzen in staal in beeld te brengen. Vooral de open ruimte in geordende atomaire structuren, zogenaamde interstitiële locaties, bepalen de oplosbaarheid van lichte elementen in een korrelgrens. Dit zal in de toekomst het gerichte ontwerp en passivering van de chemische toestand van korrelgrenzen mogelijk maken om ze te bevrijden van hun rol als toegangspoorten voor corrosie, waterstofverbrossing of mechanisch falen”, legt prof. Gerhard Dehm uit, co-auteur van de publicatie en directeur van de afdeling MPIE Structuur en Nano-/Micromechanica van Materialen.

De wetenschappers gebruikten ook machinaal leren om de samenstelling van de korrelgrens te analyseren in gegevens verkregen via atoomsondetomografie. De tomografie laat zien hoe verschillende elementen verdeeld zijn in de korrelgrens, wat de mogelijkheid biedt om statistische analyses te genereren van de structuur-compositiecorrelatie.

Volgende stappen:simulaties en tests in situ

Het onderzoeksteam werkt nu samen met de afdeling Computational Materials Design van MPIE om de ontwikkelde code en experimentele gegevens te gebruiken om te simuleren hoe lichte elementen zoals boor, koolstof of waterstof zich in materialen gedragen.

Bovendien ontwikkelen Zhou en zijn collega's opstellingen voor in-situ verwarming en trekproeven in transmissie-elektronenmicroscopen om het korrelgrensgedrag onder veranderende externe omstandigheden verder te analyseren. Deze studie levert direct experimenteel bewijs voor het begrijpen van de chemische aard van korrelgrenzen op basis van hun structurele eigenschappen op atomaire schaal.

Meer informatie: Xuyang Zhou et al, Atoommotieven bepalen de decoratie van korrelgrenzen door interstitiële opgeloste stoffen, Natuurcommunicatie (2023). DOI:10.1038/s41467-023-39302-x

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door Max Planck Society