Un team di ricercatori ha scoperto che selezionati casualmente, ad alto angolo, i bordi generali dei grani in una lega policristallina di nichel-bismuto (Ni-Bi) possono subire una ricostruzione interfacciale per formare sovrastrutture ordinate, una scoperta che arricchisce le teorie e le conoscenze fondamentali sia sulla segregazione ai bordi dei grani che sull'infragilimento dei metalli liquidi nella metallurgia fisica.

Questa scoperta mostra che le sovrastrutture ordinate indotte dalla segregazione non sono limitate a bordi di grano speciali che sono intrinsecamente periodici, ma può esistere in una varietà di confini di grano generali che si pensava mancassero di qualsiasi ordine a lungo raggio; quindi, possono influenzare le prestazioni delle leghe per ingegneria policristallina.

Il gruppo, tra cui il professore di nanoingegneria Jian Luo qui alla University of California San Diego come autore corrispondente insieme al professor Martin Harmer alla Lehigh University, espone le loro scoperte nel 6 ottobre, numero 2017 di Scienza .

I ricercatori hanno osservato e studiato le sovrastrutture indotte dalla segregazione ai bordi dei grani generali selezionati casualmente di una lega policristallina Ni-Bi tramite microscopia elettronica a trasmissione a scansione corretta per l'aberrazione (AC STEM), in combinazione con i calcoli della teoria del funzionale della densità dei primi principi.

I bordi dei grani sono interfacce interne nei materiali policristallini che spesso controllano le proprietà dei materiali. La segregazione di elementi di lega o impurezze ai bordi dei grani può alterare significativamente, spesso gravemente degradante, le proprietà meccaniche e fisiche delle leghe ingegnerizzate.

Gli studi precedenti sul confine di grano a livello atomico e sulle strutture di segregazione si sono concentrati principalmente su bordi di inclinazione e torsione simmetrici a piccolo angolo o speciali con simmetrie elevate e periodicità ben definite nei bicristalli artificiali. Però, la maggior parte dei bordi di grano nei materiali policristallini sono i cosiddetti bordi di grano "generali" con carattere misto di inclinazione e torsione, che non sono ben comprese a causa delle difficoltà nel caratterizzarle e modellarle. Ancora, tali bordi di grano generali sono spesso significativamente più deboli meccanicamente e chimicamente rispetto ai bordi di grano speciali ben studiati, limitando così le proprietà e le prestazioni dei materiali ingegnerizzati. Qui, una visione tradizionale è che questi bordi di grano generali ad alto angolo potrebbero non subire ricostruzioni interfacciali per formare sovrastrutture ordinate perché manca una corrispondenza reticolare tra i due grani adiacenti. Questa credenza tradizionale è messa in discussione da questo nuovo rapporto in Scienza .

Più specificamente, ricostruzioni interfacciali che modificano le simmetrie traslazionali 2-D, che sono noti per verificarsi frequentemente su superfici cristalline, erano ritenuti impossibili da realizzare ai bordi di grano generali che dovrebbero essere privi di simmetrie traslazionali a lungo raggio. Ma i ricercatori hanno dimostrato che è abilitato dalla sfaccettatura, così come la formazione di gradini a livello atomico ai bordi dei grani, che consente ricostruzioni interfacciali separate che si verificano su entrambi i piani di superficie del grano terminante in un'unica fase interfacciale "doppio strato" (in cui una "fase interfacciale" si riferisce a una fase bidimensionale termodinamicamente formata spontaneamente in corrispondenza di un'interfaccia, che è anche chiamato "carnagione").

Specifico per questo sistema nichel-bismuto, tali sovrastrutture interfacciali sono la causa principale di un misterioso fenomeno chiamato "infragilimento del metallo liquido, " in cui un metallo di nichel normalmente duttile o una lega a base di nichel può cedere in modo catastrofico in modo estremamente fragile a contatto con un metallo liquido a base di bismuto.

Questo lavoro è un ulteriore, significativo progresso della precedente ricerca collaborativa di Luo con la Lehigh University pubblicata sei anni fa [Luo et al., Scienza 333:1730-1733 (2011)].

In quel precedente lavoro, i ricercatori hanno scoperto questa fase interfacciale a doppio strato responsabile del misterioso infragilimento del metallo liquido nel nichel-bismuto, ma le esatte strutture atomiche dei doppi strati non erano state determinate a quel tempo. Nello specifico, non era chiaro se gli atomi di bismuto segregati potessero formare sovrastrutture ricostruite, la cui esistenza non era prevista ai confini generali del grano, ma sono stati rivelati in questo nuovo studio. Un'altra osservazione scientificamente interessante del presente studio è che la ricostruzione interfacciale è guidata e dettata dall'orientamento della superficie del grano terminale, piuttosto che da un disorientamento reticolare tra i due grani adiacenti come comunemente si crede nella metallurgia fisica classica.

I ricercatori ritengono che queste scoperte nuove e in qualche modo sorprendenti siano scientificamente importanti e arricchiscano la nostra comprensione fondamentale dei confini generali dei grani che spesso controllano le proprietà prestazionali di vari materiali ingegnerizzati policristallini.

Questo lavoro è stato principalmente sostenuto da un progetto ONR MURI guidato dal professor Martin Harmer alla Lehigh University (2011-2017). Il primo autore di questo articolo è il dottor Zhiyang Yu, che è attualmente professore associato presso la Xiamen University of Technology in Cina. Questo lavoro è stato anche una collaborazione con il professor Patrick R. Cantwell al Rose-Hulman Institute of Technology, Il professor Michael Widom e il suo studente, Dottor Qin Gao, e il professor Gregory S. Rohrer alla Carnegie Mellon University, Dott.ssa Denise Yin alla Lehigh University, e il dottor Yuanyao Zhang e la dottoressa Naixie Zhou, entrambi i quali hanno recentemente conseguito il dottorato di ricerca. lauree in Scienza e Ingegneria dei Materiali presso la UC San Diego.

In un contesto scientifico più ampio, questo studio arricchisce la comprensione fondamentale delle fasi interfacciali 2-D o delle carnagioni che possono influenzare il processo di fabbricazione, sviluppo microstrutturale, e uno spettro di meccanica, elettronico, ionico, e altre proprietà fisiche di materiali sia metallici che ceramici. In un progetto separato in corso della Vannevar Bush Faculty Fellowship (precedentemente National Security Science and Engineering Faculty Fellowship), Il professor Luo e il suo team stanno anche sviluppando diagrammi di fase interfacciali per aiutare a ottenere controlli migliori di tali fasi interfacciali 2-D in generale.