Lichte elementen in een korrelgrens zien: materiaaleigenschappen onthullen tot op atomaire schaal

Om geavanceerde materialen te ontwikkelen, is een diep begrip van hun onderliggende microstructuur en chemie noodzakelijk. Weten hoe defecten het samenspel tussen microstructuur en chemische samenstelling beïnvloeden, is cruciaal, omdat ze de toegangspoort zijn voor het falen van materiaal als gevolg van corrosie of het ontstaan ​​van scheuren.

Wetenschappers van het Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) hebben nu een workflow en code ontwikkeld om tweedimensionale defecten, bekend als korrelgrenzen, in staal te analyseren en te interpreteren. Ze ontdekten dat bepaalde geordende atomaire motieven, het kleinste structurele hiërarchische niveau in materialen, de belangrijkste chemische eigenschappen van korrelgrenzen bepalen. Het ontwerpen van die atomaire motieven maakt de weg vrij voor duurzamere, op maat gemaakte materialen. De MPIE-onderzoekers publiceerden hun resultaten in Natuurcommunicatie.

Atoommotieven bepalen de chemische eigenschappen van korrelgrenzen

“De twee belangrijkste uitdagingen bij het analyseren van korrelgrenzen tot op hun atomaire schaal zijn ten eerste de enorme hoeveelheid parameters die moeten worden gecontroleerd om het effect van elke parameter op de eigenschappen van het materiaal te begrijpen. En ten tweede de moeilijkheid bij het observeren van lichte elementen met transmissie-elektronenmicroscopie’, legt dr. Xuyang Zhou uit, eerste auteur van de publicatie en plaatsvervangend hoofd van de Atom Probe Tomography-groep bij MPIE.

“We hebben een workflow en code ontwikkeld voor transmissie-elektronenmicroscopie waarbij bikristallen van een ijzer-boor-koolstoflegering groeien met dezelfde kristaloriëntatie maar veranderende korrelgrensvlakken. Op deze manier konden we de interfererende parameters beheersen. Om de gegevens te interpreteren , heb ik een code ontwikkeld die helpt bij het zien van lichte elementen zoals boor en koolstof in de ijzerkorrelgrenzen. Dat is eigenlijk de eerste keer dat we lichte elementen in de korrelgrenzen van zware metalen, zoals ijzer, kunnen waarnemen.’

De onderzoekers toonden aan dat zelfs de loutere kanteling in het korrelgrensvlak met identieke misoriëntatie de chemische samenstelling en atomaire rangschikking van de microstructuur beïnvloedt en het materiaal min of meer vatbaar maakt voor falen.

“Tot nu toe was het niet mogelijk om de lichte en zware elementen in de atomaire motieven van korrelgrenzen in staal in beeld te brengen. Vooral de open ruimte in geordende atomaire structuren, zogenaamde interstitiële locaties, bepaalt de oplosbaarheid van lichte elementen in een korrelgrens. Dit zal in de toekomst het gerichte ontwerp en passivering van de chemische toestand van korrelgrenzen mogelijk maken om ze te bevrijden van hun rol als toegangspoorten voor corrosie, waterstofbrosheid of mechanisch falen”, legt prof. Gerhard Dehm, co-auteur van de publicatie en directeur van de afdeling Structuur en Nano-/Micromechanica van Materialen van MPIE.

De wetenschappers gebruikten ook machine learning om de samenstelling van de korrelgrens te analyseren in gegevens die zijn verkregen via atoomsonde-tomografie. De tomografie laat zien hoe verschillende elementen zijn verdeeld in de korrelgrens, wat de mogelijkheid biedt om statistische analyses van de structuur-samenstelling correlatie te genereren.

Volgende stappen: Simulaties en in-situ testen

Het onderzoeksteam werkt nu samen met de afdeling Computational Materials Design van MPIE om de ontwikkelde code en experimentele gegevens te gebruiken om te simuleren hoe lichte elementen zoals boor, koolstof of waterstof zich in materialen gedragen.

Bovendien ontwikkelen Zhou en zijn collega’s opstellingen voor in-situ verwarming en trekproeven in transmissie-elektronenmicroscopen om het korrelgrensgedrag onder veranderende externe omstandigheden verder te analyseren. Deze studie levert direct experimenteel bewijs voor het begrijpen van de chemische aard van korrelgrenzen op basis van hun structurele eigenschappen op atomaire schaal.