Engenheiros da Universidade da Califórnia em San Diego lançaram uma nova luz sobre um mistério científico a respeito do mecanismo de nível atômico da fragilização por enxofre do níquel, um problema clássico que intrigou a comunidade científica por quase um século. A descoberta também enriquece a compreensão fundamental dos limites gerais dos grãos que muitas vezes controlam as propriedades mecânicas e físicas dos materiais policristalinos.

O estudo foi liderado por Jian Luo, professor de nanoengenharia e ciência e engenharia de materiais na Escola de Engenharia da UC San Diego Jacobs. O trabalho é publicado em 17 de julho em Nature Communications .

Desde o início de 1900, engenheiros e cientistas reconheceram que as impurezas de enxofre causam níquel e outros metais dúcteis, como ferro e aço, falhar em baixos níveis de estresse. A fragilização de metais por enxofre é de importância tecnológica geral porque muitas ligas de engenharia são usadas em ambientes contendo enxofre, como as ligas de alta temperatura à base de níquel usadas em usinas de energia movidas a carvão de próxima geração para aumentar a eficiência energética.

Os pesquisadores sabem que essa fragilização está relacionada à segregação do grão de enxofre, mas os mecanismos atômicos subjacentes permaneceram indefinidos.

Os engenheiros da UC San Diego lançaram uma nova luz sobre esses mecanismos examinando os limites gerais dos grãos em policristais de níquel dopados com enxofre. Eles usaram uma combinação de microscopia eletrônica de transmissão de varredura com correção de aberração e simulações atomísticas de conjunto semi-grande-canônico.

A equipe de Luo descobriu que a competição entre ordenação interfacial e desordenação leva à formação alternada de facetas tipo amorfo e tipo bicamada nos limites gerais dos grãos. Eles também descobriram que as estruturas interfaciais bipolares causam fraturas intergranulares frágeis entre as estruturas polares de enxofre-níquel que estão desordenadamente alinhadas em duas direções opostas.

"Mecanismos semelhantes podem causar fragilização do limite do grão em outros sistemas metal-não-metal. Os exemplos incluem oxigênio, enxofre, fragilização por fósforo e hidrogênio de outros metais e ligas. São de ampla importância tecnológica, "disse Luo.

Este trabalho avança ainda mais a pesquisa anterior do grupo de Luo sobre a fragilização do níquel pelo bismuto, que foi feito em colaboração com a Lehigh University e publicado em dois relatórios subsequentes em Ciência em 2011 e 2017. Os pesquisadores descobriram que estruturas interfaciais altamente ordenadas se formam nos limites gerais dos grãos no níquel dopado com bismuto. No novo Nature Communications estude, O grupo de Luo descobriu que estruturas interfaciais bipolares desordenadas se formam em níquel dopado com enxofre.

"O bismuto e o enxofre são duas impurezas fragilizantes conhecidas do níquel. Curiosamente, descobrimos que estes representam dois casos extremos de estruturas interfaciais - ordenadas versus desordenadas, respectivamente. Assim, eles podem ser considerados como dois exemplos clássicos de fragilização de contorno de grão com diferentes estruturas atomísticas subjacentes, "Luo disse.

Além dos mecanismos de fragilização, pesquisadores dizem que este estudo lança uma nova luz sobre o misterioso fenômeno anormal de crescimento de grãos em níquel dopado com enxofre, e enriquece a compreensão fundamental de interfaces desordenadas. Este estudo também desafia uma visão tradicional, mostrando que a orientação da faceta do limite do grão, em vez da desorientação, dita a estrutura interfacial.

"Este trabalho amplia nosso conhecimento fundamental de interfaces de materiais além das interfaces ordenadas bem caracterizadas e limites simétricos especiais em bicristais artificiais que têm sido o foco da maioria dos estudos anteriores. Agora, temos um novo insight sobre as interfaces desordenadas e limites gerais de grão em policristais do mundo real, que muitas vezes limitam o desempenho da maioria dos materiais de engenharia, "disse Luo.