Ett team av forskare fann att slumpmässigt utvalda, hög vinkel, allmänna spannmålsgränser i en nickel-vismut (Ni-Bi) polykristallin legering kan genomgå gränssnittsrekonstruktion för att bilda ordnade överbyggnader, en upptäckt som berikar teorierna och de grundläggande förståelserna för både sädesgränsning av spannmål och flytande metallskörhet inom fysisk metallurgi.

Denna upptäckt visar att segregeringsinducerade ordnade överbyggnader inte är begränsade till speciella sädesgränser som i sig är periodiska, men kan existera vid en mängd allmänna spannmålsgränser som man trodde saknade någon långsiktig ordning; därav, de kan påverka prestanda för polykristallina konstruktionslegeringar.

Laget, inklusive nanoengineering professor Jian Luo här vid University of California San Diego som en motsvarande författare tillsammans med professor Martin Harmer vid Lehigh University, lägger fram sina fynd i oktober 6, 2017 nummer av Vetenskap .

Forskare observerade och undersökte segregeringsinducerade överbyggnader vid slumpmässigt utvalda allmänna korngränser för en Ni-Bi polykristallin legering via aberrationskorrigerad skanningstransmissionselektronmikroskopi (AC STEM), i samband med första-principer densitet funktionella teori beräkningar.

Korngränser är interna gränssnitt i polykristallina material som ofta styr materialens egenskaper. Separationen av legeringselement eller föroreningar vid korngränser kan avsevärt förändras, försämras ofta allvarligt, de mekaniska och fysikaliska egenskaperna hos konstruerade legeringar.

Tidigare studier av kärngräns- och segregeringsstrukturer på atomnivå har mest fokuserats på små vinkel eller speciella symmetriska lutnings- och vridgränser med höga symmetrier och väldefinierade periodiciteter i konstgjorda bikrystaller. Dock, de flesta korngränserna i polykristallina material är så kallade "allmänna" korngränser med blandad lutning och vridningskaraktär, som inte är väl förstådda på grund av svårigheterna att karakterisera och modellera dem. Än, sådana allmänna spannmålsgränser är ofta betydligt svagare mekaniskt och kemiskt än de välstuderade särskilda spannmålsgränserna, vilket begränsar egenskaper och prestanda hos konstruerade material. Här, en traditionell uppfattning är att dessa högvinkliga allmänna korngränser inte får genomgå gränssnittsrekonstruktioner för att bilda ordnade överbyggnader eftersom en gittermatchning mellan de två angränsande kornen saknas. Denna traditionella tro utmanas av denna nya rapport i Vetenskap .

Mer specifikt, gränssnittsrekonstruktioner som ändrar 2-D-translationella symmetrier, som är kända för att förekomma ofta vid kristallina ytor, ansågs omöjliga att förverkligas vid allmänna spannmålsgränser som borde sakna långsiktiga translationella symmetrier. Men forskare visade att det är möjligt genom att fasettera, liksom bildandet av steg på atomnivå vid spannmålsgränserna, som gör att separata gränssnittsrekonstruktioner kan ske vid båda avslutande kornytans plan i en unik "tvåskikts" gränssnittsfas (där en "gränssnittsfas" hänvisar till en termodynamiskt 2-D-fas som spontant bildas vid ett gränssnitt, som också kallas en "hy").

Specifikt för detta nickel-vismutsystem, sådana gränssnittsöverbyggnader är grundorsaken till ett mystiskt fenomen som kallas "flytande metallskörhet, "varvid en normalt duktil nickelmetall eller nickelbaserad legering kan misslyckas katastrofalt på ett extremt sprött sätt i kontakt med en vismutbaserad flytande metall.

Detta arbete är ett vidare, betydande framsteg för Luos tidigare samarbetsforskning med Lehigh University som publicerades för sex år sedan [Luo et al., Vetenskap 333:1730-1733 (2011)].

I det tidigare arbetet, forskare upptäckte denna tvåskiktiga gränssnittsfas som är ansvarig för den mystiska flytande metallförsprödningen i nickel-vismut, men de exakta atomstrukturerna för tvåskikten hade inte bestämts vid den tiden. Specifikt, det var oklart om de separerade vismutatomerna kan bilda rekonstruerade överbyggnader, vars existens inte förväntades vid de allmänna spannmålsgränserna, men har avslöjats i denna nya studie. En annan vetenskapligt intressant observation av den aktuella studien är att gränssnittsrekonstruktionen drivs och dikteras av orienteringen av den avslutande kornytan, snarare än genom gitterfel orientering mellan de två angränsande kornen som vanligt tros i klassisk fysisk metallurgi.

Forskare tror att dessa nya och lite överraskande upptäckter är vetenskapligt viktiga och berikar vår grundläggande förståelse för de allmänna spannmålsgränserna som ofta styr prestandaegenskaperna hos olika polykristallina konstruerade material.

Detta arbete stöddes främst av ett ONR MURI-projekt som leds av professor Martin Harmer vid Lehigh University (2011-2017). Den första författaren till denna artikel är Dr Zhiyang Yu, som för närvarande är docent vid Xiamen University of Technology i Kina. Detta arbete var också ett samarbete med professor Patrick R. Cantwell vid Rose-Hulman Institute of Technology, Professor Michael Widom och hans student, Dr Qin Gao, och professor Gregory S. Rohrer vid Carnegie Mellon University, Dr Denise Yin vid Lehigh University, och Dr Yuanyao Zhang och Dr Naixie Zhou, båda fick nyligen sin doktorsexamen. examen i materialvetenskap och teknik från UC San Diego.

I ett vidare vetenskapligt sammanhang, denna studie berikar den grundläggande förståelsen för 2-D gränssnittsfaser eller hudfärger som kan påverka tillverkningsprocess, mikrostrukturell utveckling, och ett spektrum av mekaniska, elektronisk, jonisk, och andra fysikaliska egenskaper hos både metalliska och keramiska material. I ett separat pågående projekt Vannevar Bush Faculty Fellowship (tidigare National Security Science and Engineering Faculty Fellowship), Professor Luo och hans team utvecklar också gränssnittsfasdiagram för att uppnå bättre kontroller av sådana 2-D-gränssnittsfaser i allmänhet.