För att utveckla avancerade material krävs en djup förståelse för deras underliggande mikrostruktur och kemi. Att veta hur defekter påverkar samspelet mellan mikrostruktur och kemisk sammansättning är avgörande, eftersom de är ingångsporten för materialfel på grund av korrosion eller sprickinitiering.
Forskare vid Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) har nu utvecklat ett arbetsflöde och kod för att analysera och tolka tvådimensionella defekter, så kallade korngränser, i stål. De identifierade att vissa ordnade atommotiv, den minsta strukturella hierarkiska nivån i material, styr de viktigaste kemiska egenskaperna hos korngränser. Konstruktion av dessa atommotiv banar väg för mer hållbara, skräddarsydda material. MPIE-forskarna publicerade sina resultat i Nature Communications .
"De två huvudsakliga utmaningarna med att analysera korngränser ner till deras atomära skala är för det första den enorma mängd parametrar som måste kontrolleras för att förstå effekten av varje parameter på materialets egenskaper. Och för det andra svårigheten att observera lätta element med transmissionselektronmikroskopi", förklarar Dr. Xuyang Zhou, första författare till publikationen och biträdande chef för Atom Probe Tomography-gruppen vid MPIE.
"Vi utvecklade ett arbetsflöde och kod för transmissionselektronmikroskopi som involverar odling av bikristaller av en järn-bor-kol-legering med samma kristallorientering men ändrade korngränsplan. På så sätt kunde vi kontrollera de störande parametrarna. Att tolka data , utvecklade jag en kod som hjälper till att se lätta element som bor och kol i järnkornsgränserna. Det är faktiskt första gången vi har kunnat observera lätta element i korngränserna för tungmetaller, som järn."
Forskarna visade att även lutningen i korngränsplanet med identisk felorientering påverkar mikrostrukturens kemiska sammansättning och atomära arrangemang och gör materialet mer eller mindre benäget att misslyckas.
"Hittills har det inte varit möjligt att avbilda de lätta och tunga elementen i atommotiven av korngränser i stål. Speciellt är det öppna utrymmet i ordnade atomära strukturer, så kallade interstitiella platser, som bestämmer lösligheten av lätta element i en korngräns. Detta kommer i framtiden att möjliggöra målinriktad utformning och passivering av det kemiska tillståndet av korngränser för att befria dem från deras roll som ingångsportar för korrosion, väteförsprödning eller mekaniska fel", förklarar Prof. Gerhard Dehm, medförfattare till publikationen och direktör för MPIE Structure and Nano-/Micromechanics of Materials-avdelningen.
Forskarna använde också maskininlärning för att analysera korngränssammansättningen i data som erhållits genom atomsondstomografi. Tomografin visar hur olika element är fördelade i korngränsen, vilket ger möjlighet att generera statistisk analys av struktur-sammansättningskorrelationen.
Nästa steg:Simuleringar och testning på plats
Forskargruppen arbetar nu tillsammans med Computational Materials Design-avdelningen vid MPIE för att använda den utvecklade koden och experimentella data för att simulera hur lätta element som bor, kol eller väte beter sig i material.
Dessutom utvecklar Zhou och hans kollegor uppsättningar för in-situ uppvärmning och dragtest i transmissionselektronmikroskop för att ytterligare analysera korngränsbeteendet under förändrade yttre förhållanden. Denna studie ger direkta experimentella bevis för att förstå den kemiska naturen hos korngränser på grundval av deras strukturella egenskaper i atomskala.
Mer information: Xuyang Zhou et al, Atommotiv styr dekorationen av korngränser av interstitiellt lösta ämnen, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-39302-x
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Max Planck Society
