En 70-årig modell som används för att förutsäga materials mikrostruktur fungerar inte för dagens material, säger forskare från Carnegie Mellon University Vetenskap . En mikroskopiteknik utvecklad av Carnegie Mellon och Argonne National Laboratory ger bevis som motsäger den konventionella modellen och pekar på vägen mot användningen av nya typer av karakteriseringar för att förutsäga egenskaper – och därmed säkerheten och långtidshållbarheten – hos nya material.

Om en metallurg upptäckte en legering som drastiskt kunde förbättra ett flygplans prestanda, det kunde ta så lång tid som tjugo år innan en passagerare skulle kunna gå ombord på ett plan tillverkat av den legeringen. Utan något sätt att förutsäga hur ett material kommer att förändras när det utsätts för stressfaktorer från bearbetning eller daglig användning, forskare använder trial and error för att fastställa ett materials säkerhet och hållbarhet. Denna långa process är en betydande flaskhals för materialinnovation.

Professorerna Gregory Rohrer och Robert Suter från Carnegie Mellon Universitys institution för materialvetenskap och teknik och institutionen för fysik har avslöjat ny information som kommer att hjälpa materialforskare att förutsäga hur egenskaperna hos material förändras som svar på stressfaktorer som förhöjda temperaturer. Med hjälp av närfälts högenergidiffraktionsmikroskopi (HEDM), de fann att den etablerade modellen för att förutsäga ett material mikrostruktur och egenskaper inte gäller polykristallina material och en ny modell behövs.

För ögat, de mest använda metallerna, legeringar och keramik som används i industri- och konsumentutrustning och produkter verkar vara enhetligt solida. Men på mikroskopisk nivå, de är polykristallina, består av aggregat av korn som har olika storlek, former och kristallorientering. Kornen binds samman av ett nätverk av korngränser som förskjuts när de utsätts för stressorer, ändra materialets egenskaper.

När de gör ett nytt material, forskare måste kontrollera dess mikrostruktur, som inkluderar dess korngränser. Materialforskare manipulerar tätheten av korngränser för att möta olika behov. Till exempel, strukturen som omger passagerarkabinen i en bil är gjord av ett ultrahöghållfast stål som innehåller fler korngränser än de estetiska karosspanelerna i bilens främre skrynklingszon.

Under de senaste 70 åren, forskare har förutspått material beteende med hjälp av en teori som säger att hastigheten med vilken korngränser rör sig genom ett uppvärmt material är korrelerad till gränsens form. Rohrer och Suter har visat att denna teori, formulerad för att beskriva det mest idealiska fallet, gäller inte i riktiga polykristaller.

Polykristaller är mer komplicerade än de idealiska fallen som studerats tidigare. Rohrer förklarade, "Om man betraktar en enda korngräns i en kristall, den kan röra sig utan avbrott, som en bil som kör på en tom väg. I polykristaller är varje korngräns kopplad till, i genomsnitt, tio andra, så det är som att bilen körde i trafik — den kan inte röra sig så fritt längre. Därför, den här modellen håller inte längre." Dessutom, Rohrer och Suter fann att polykristallkornsgränser ofta inte ens rörde sig i den riktning som modellen skulle ha förutspått.

HEDM, en teknik som var banbrytande av Suter och kollegor med hjälp av Argonne National Laboratory's Advanced Photon Source (APS), var nyckeln till dessa upptäckter. HEDM och dess associerade tekniker tillåter forskare att oförstörande avbilda tusentals kristaller och mäta deras orientering inom ogenomskinliga metaller och keramik. Tekniken kräver högenergiröntgenstrålar som endast är tillgängliga vid en av ett fåtal synkrotronkällor runt om i världen.

"Det är som att ha 3D-röntgensyn, sade Suter. "Innan, du kunde inte titta på ett materials korn utan att skära isär det. HEDM tillåter oss att noninvasivt se kornorienteringarna och gränserna när de utvecklas över tiden."

Utvecklingen av HEDM började för cirka 20 år sedan och fortsätter än i dag. Suters grupp arbetade med forskare vid APS för att utveckla procedurer för synkroniserad insamling av tusentals bilder av röntgendiffraktionsmönster från ett materialprov när det genomgår precisionsrotation i en intensiv infallande stråle. Högpresterande datorkoder utvecklade av Suters forskargrupp omvandlar uppsättningarna bilder till tredimensionella kartor över de kristallina kornen som utgör materialets mikrostruktur.

Tio år sedan, Suters grupp (inklusive fysikstudenter Chris Hefferan, Shiu-Fai Li, och Jon Lind) mätte upprepade gånger ett nickelprov efter successiva högtemperaturbehandlingar, vilket resulterade i de första observationerna av individuella korngränsrörelser. Dessa motioner misslyckades med att visa det systematiska beteende som förutspåtts av den 70-åriga teorin. Synvinkeln som utvecklats av Carnegie Mellon-forskarna i Science-dokumentet korrelerar korngränsstrukturen med systematiska beteenden som observerats i HEDM-experimentdata.

Medan den nuvarande analysen är baserad på ett enda material, nickel, Röntgendiffraktionsmikroskopi används på många material och Rohrer och Suter tror att många av dessa material kommer att uppvisa liknande beteende som nickel. Liknande tillämpningar för andra materialbearbetningsförhållanden studeras också.

Denna forskning finansierades av National Science Foundations Designing Materials to Revolutionize and Engineer the Future-programmet (DRMEF). Teamets fyraåriga anslag förnyades med 1,8 miljoner dollar från och med 1 oktober, 2021. Carnegie Mellons Kaushik Dayal, Institutionen för bygg- och miljöteknik, Elizabeth Holm, Institutionen för materialvetenskap och teknik, och David Kinderlehrer, Institutionen för matematiska vetenskaper kommer också att vara involverad i nästa steg av forskning som studerar hur och varför polykristaller beter sig så i olika material. Professorerna Carl Krill (Universitetet i Ulm, Tyskland) och Amanda Krause (University of Florida) ingår också i samarbetet.