Ingenjörer vid University of California San Diego har kastat nytt ljus över ett vetenskapligt mysterium angående mekanismen på atomnivå för svavelförsprödningen av nickel, ett klassiskt problem som har förbryllat vetenskapssamfundet i nästan ett sekel. Upptäckten berikar också grundläggande förståelse för allmänna korngränser som ofta styr de mekaniska och fysikaliska egenskaperna hos polykristallina material.

Studien leddes av Jian Luo, en professor i nanoteknik och materialvetenskap och ingenjörskonst vid UC San Diego Jacobs School of Engineering. Verket publiceras 17 juli i Naturkommunikation .

Sedan början av 1900-talet, ingenjörer och forskare har insett att svavelföroreningar orsakar nickel och andra sega metaller, som järn och stål, att misslyckas vid låga stressnivåer. Svavelförsprödning av metaller är av allmän teknisk betydelse eftersom många tekniska legeringar används i svavelhaltiga miljöer, som de nickelbaserade högtemperaturlegeringar som används i nästa generations koleldade kraftverk för att öka energieffektiviteten.

Forskare har känt till att denna försprödning är relaterad till korngränssegregeringen av svavel, men de underliggande atommekanismerna har förblivit svårfångade.

Ingenjörer från UC San Diego har kastat nytt ljus över dessa mekanismer genom att undersöka allmänna korngränser i nickelpolykristaller dopade med svavel. De använde en kombination av aberrationskorrigerad sveptransmissionselektronmikroskopi och semi-grand-canonical ensemble atomistiska simuleringar.

Luos team fann att konkurrens mellan gränssnittsordning och störning leder till växelvis bildning av amorfa-liknande och dubbelskiktsliknande fasetter vid allmänna korngränser. De fann också att bipolära gränssnittsstrukturer orsakar spröda intergranulära sprickor mellan polära svavel-nickelstrukturer som är oordnat inriktade i två motsatta riktningar.

"Liknande mekanismer kan orsaka korngränsförsprödning i andra metall-icke-metallsystem. Exempel inkluderar syre, svavel, fosfor- och väteförsprödning av andra metaller och legeringar. Dessa är av bred teknisk betydelse, sa Luo.

Detta arbete främjar ytterligare tidigare forskning av Luos grupp om vismutförsprödning av nickel, som gjordes i samarbete med Lehigh University och publicerades i två efterföljande rapporter i Vetenskap 2011 och 2017. Forskare upptäckte att högordnade gränssnittsstrukturer bildas vid allmänna korngränser i vismutdopat nickel. I det nya Naturkommunikation studie, Luos grupp fann att oordnade bipolära gränssnittsstrukturer bildas i svaveldopat nickel.

"Vismut och svavel är två välkända sköra föroreningar för nickel. Intressant nog, vi fann att dessa representerar två extrema fall av gränssnittsstrukturer – ordnade kontra oordnade, respektive. Således, de kan betraktas som två klassiska exempel på korngränsförsprödning med olika underliggande atomistiska strukturer, " sa Luo.

Förutom försprödningsmekanismer, forskare säger att denna studie kastar nytt ljus över de mystiska onormala korntillväxtfenomenen i svaveldopat nickel, och berikar grundläggande förståelse för oordnade gränssnitt. Denna studie utmanar också en traditionell syn genom att visa att orienteringen av korngränsfacetten, istället för felorienteringen, dikterar gränssnittsstrukturen.

"Detta arbete breddar vår grundläggande kunskap om materialgränssnitt bortom de välkarakteriserade ordnade gränssnitten och speciella symmetriska gränser i konstgjorda bikristaller som har varit i fokus för de flesta tidigare studier. Nu, vi har ny insikt i de oordnade gränssnitten och allmänna korngränserna i verkliga polykristaller, som ofta begränsar prestandan hos de flesta konstruerade material, sa Luo.