Uma equipe de pesquisadores descobriu que selecionou aleatoriamente, maior ângulo, limites gerais de grão em uma liga policristalina de níquel-bismuto (Ni-Bi) podem sofrer reconstrução interfacial para formar superestruturas ordenadas, uma descoberta que enriquece as teorias e entendimentos fundamentais da segregação de limites de grãos e fragilização de metal líquido na metalurgia física.

Esta descoberta mostra que as superestruturas ordenadas induzidas pela segregação não estão limitadas a limites de grãos especiais que são inerentemente periódicos, mas pode existir em uma variedade de limites gerais de grãos que foram considerados carentes de qualquer ordem de longo alcance; portanto, eles podem afetar o desempenho de ligas de engenharia policristalinas.

O time, incluindo o professor de nanoengenharia Jian Luo aqui na University of California San Diego como um autor co-correspondente junto com o professor Martin Harmer na Lehigh University, expõe suas descobertas em 6 de outubro, Edição de 2017 de Ciência .

Os pesquisadores observaram e investigaram superestruturas induzidas por segregação em limites gerais de grãos selecionados aleatoriamente de uma liga policristalina de Ni-Bi por meio de microscopia eletrônica de transmissão de varredura com correção de aberração (AC STEM), em conjunto com cálculos de teoria funcional de densidade de primeiros princípios.

Limites de grãos são interfaces internas em materiais policristalinos que geralmente controlam as propriedades dos materiais. A segregação de elementos de liga ou impurezas nos limites dos grãos pode alterar significativamente, frequentemente degradam severamente, as propriedades mecânicas e físicas das ligas projetadas.

Estudos anteriores de limites de grãos em nível atômico e estruturas de segregação focaram principalmente em pequenos ângulos ou contornos simétricos especiais de inclinação e torção com altas simetrias e periodicidades bem definidas em bicristais artificiais. Contudo, a maioria dos limites de grão em materiais policristalinos são os chamados limites de grão "gerais" com características mistas de inclinação e torção, que não são bem compreendidos devido às dificuldades em caracterizá-los e modelá-los. Ainda, tais limites gerais de grãos são muitas vezes significativamente mais fracos mecânica e quimicamente do que os limites de grãos especiais bem estudados, limitando assim as propriedades e o desempenho dos materiais de engenharia. Aqui, uma visão tradicional é que esses limites gerais de grão de alto ângulo podem não sofrer reconstruções interfaciais para formar superestruturas ordenadas porque falta uma correspondência de rede entre os dois grãos adjacentes. Esta crença tradicional é desafiada por este novo relatório em Ciência .

Mais especificamente, reconstruções interfaciais que alteram as simetrias translacionais 2-D, que são conhecidos por ocorrerem frequentemente em superfícies cristalinas, foram considerados impossíveis de serem realizados em limites gerais de grão que deveriam carecer de simetrias translacionais de longo alcance. Mas os pesquisadores mostraram que isso é possível por facetação, bem como a formação de etapas de nível atômico nos limites do grão, que permite que reconstruções interfaciais separadas ocorram em ambos os planos de superfície de grão de terminação em uma fase interfacial de "bicamada" única (em que uma "fase interfacial" se refere a uma fase termodinamicamente 2-D formada espontaneamente em uma interface, que também é chamada de "pele").

Específico para este sistema de níquel-bismuto, tais superestruturas interfaciais são a causa raiz de um fenômeno misterioso chamado "fragilização de metal líquido, "em que um metal de níquel normalmente dúctil ou liga à base de níquel pode falhar catastroficamente de uma maneira extremamente frágil em contato com um metal líquido à base de bismuto.

Este trabalho é mais além, avanço significativo da pesquisa colaborativa anterior de Luo com a Lehigh University publicada há seis anos [Luo et al., Ciência 333:1730-1733 (2011)].

Naquele trabalho anterior, pesquisadores descobriram esta fase interfacial de bicamada que é responsável pela misteriosa fragilização do metal líquido no níquel-bismuto, mas as estruturas atômicas exatas das bicamadas não haviam sido determinadas naquela época. Especificamente, não estava claro se os átomos de bismuto segregados podem formar superestruturas reconstruídas, cuja existência não era esperada nas fronteiras gerais de grãos, mas foram revelados neste novo estudo. Outra observação cientificamente interessante do presente estudo é que a reconstrução interfacial é dirigida e ditada pela orientação da superfície do grão de terminação, em vez de por orientação incorreta da rede entre os dois grãos adjacentes, como comumente se acredita na metalurgia física clássica.

Os pesquisadores acreditam que essas novas e um tanto surpreendentes descobertas são cientificamente importantes e enriquecem nossa compreensão fundamental dos limites gerais de grãos que muitas vezes controlam as propriedades de desempenho de vários materiais de engenharia policristalinos.

Este trabalho foi apoiado principalmente por um projeto ONR MURI liderado pelo Professor Martin Harmer na Lehigh University (2011-2017). O primeiro autor deste artigo é o Dr. Zhiyang Yu, que atualmente é professor associado da Xiamen University of Technology na China. Este trabalho também foi uma colaboração com o professor Patrick R. Cantwell no Rose-Hulman Institute of Technology, Professor Michael Widom e seu aluno, Dr. Qin Gao, e o professor Gregory S. Rohrer na Carnegie Mellon University, Dra. Denise Yin da Lehigh University, e Dr. Yuanyao Zhang e Dr. Naixie Zhou, ambos recentemente receberam seu Ph.D. graduado em Ciência e Engenharia de Materiais pela UC San Diego.

Em um contexto científico mais amplo, este estudo enriquece a compreensão fundamental das fases interfaciais 2-D ou tez que podem influenciar o processamento de fabricação, desenvolvimento microestrutural, e um espectro de mecânica, eletrônico, iônico, e outras propriedades físicas de materiais metálicos e cerâmicos. Em um projeto separado Vannevar Bush Faculty Fellowship (anteriormente National Security Science and Engineering Faculty Fellowship), O professor Luo e sua equipe também estão desenvolvendo diagramas de fases interfaciais para ajudar a obter melhores controles dessas fases interfaciais 2-D em geral.