Per sviluppare materiali avanzati è necessaria una profonda comprensione della microstruttura e della chimica sottostanti. Sapere come i difetti influenzano l'interazione tra microstruttura e composizione chimica è fondamentale, poiché rappresentano la porta d'ingresso per il cedimento del materiale a causa della corrosione o dell'innesco di crepe.
Gli scienziati del Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) hanno ora sviluppato un flusso di lavoro e un codice per analizzare e interpretare i difetti bidimensionali, noti come bordi di grano, negli acciai. Hanno identificato che alcuni motivi atomici ordinati, il più piccolo livello gerarchico strutturale nei materiali, governano le proprietà chimiche più importanti dei bordi dei grani. Progettare questi motivi atomici apre la strada a materiali più durevoli e su misura. I ricercatori dell'MPIE hanno pubblicato i loro risultati su Nature Communications .
"Le due principali sfide nell'analizzare i confini dei grani fino alla loro scala atomica sono innanzitutto l'enorme quantità di parametri che devono essere controllati per comprendere l'effetto di ciascun parametro sulle proprietà del materiale. E in secondo luogo, la difficoltà nell'osservare elementi leggeri con microscopia elettronica a trasmissione", spiega il dottor Xuyang Zhou, primo autore della pubblicazione e vice capo del gruppo di tomografia Atom Probe presso MPIE.
"Abbiamo sviluppato un flusso di lavoro e un codice per la microscopia elettronica a trasmissione che prevede la crescita di bicristalli di una lega ferro-boro-carbonio con lo stesso orientamento dei cristalli ma cambiando i piani di confine dei grani. In questo modo, siamo stati in grado di controllare i parametri interferenti. Per interpretare i dati , ho sviluppato un codice che aiuta a vedere elementi leggeri come boro e carbonio nei bordi dei grani del ferro. Questa è in realtà la prima volta che siamo riusciti a osservare elementi leggeri nei bordi dei grani dei metalli pesanti, come il ferro."
I ricercatori hanno dimostrato che anche la semplice inclinazione del piano del bordo del grano con identico disorientamento ha un impatto sulla composizione chimica e sulla disposizione atomica della microstruttura e rende il materiale più o meno incline al cedimento.
"Fino ad ora non era possibile rappresentare gli elementi leggeri e pesanti nei motivi atomici dei bordi dei grani dell'acciaio. In particolare, lo spazio aperto nelle strutture atomiche ordinate, i cosiddetti siti interstiziali, determina la solubilità degli elementi leggeri nei bordi dei grani. Ciò consentirà in futuro la progettazione mirata e la passivazione dello stato chimico dei bordi dei grani per liberarli dal loro ruolo di porte d'ingresso per la corrosione, l'infragilimento da idrogeno o i guasti meccanici," spiega il Prof. Gerhard Dehm, coautore della pubblicazione e direttore del dipartimento Struttura e Nano-/Micromeccanica dei Materiali dell'MPIE.
Gli scienziati hanno anche utilizzato l’apprendimento automatico per analizzare la composizione dei bordi dei grani nei dati ottenuti attraverso la tomografia con sonda atomica. La tomografia mostra come i diversi elementi sono distribuiti al confine del grano, offrendo la possibilità di generare analisi statistiche della correlazione struttura-composizione.
Passi successivi:simulazioni e test in situ
Il team di ricercatori sta ora collaborando con il dipartimento di progettazione computazionale dei materiali dell'MPIE per utilizzare il codice sviluppato e i dati sperimentali per simulare il comportamento di elementi leggeri come boro, carbonio o idrogeno nei materiali.
Inoltre, Zhou e i suoi colleghi stanno sviluppando apparecchiature per il riscaldamento in situ e prove di trazione nei microscopi elettronici a trasmissione per analizzare ulteriormente il comportamento dei bordi dei grani in condizioni esterne mutevoli. Questo studio fornisce prove sperimentali dirette per comprendere la natura chimica dei bordi dei grani sulla base delle loro proprietà strutturali su scala atomica.
Ulteriori informazioni: Xuyang Zhou et al, I motivi atomici governano la decorazione dei confini del grano da parte dei soluti interstiziali, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-39302-x
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
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