Para desenvolver materiais avançados, é necessária uma compreensão profunda de sua microestrutura e química subjacentes. Saber como os defeitos influenciam a interação entre a microestrutura e a composição química é crucial, pois são a porta de entrada para a falha do material devido à corrosão ou ao início de fissuras.



Cientistas do Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) desenvolveram agora um fluxo de trabalho e um código para analisar e interpretar defeitos bidimensionais, conhecidos como limites de grão, em aços. Eles identificaram que certos motivos atômicos ordenados, o menor nível hierárquico estrutural dos materiais, governam as propriedades químicas mais importantes dos limites dos grãos. A engenharia desses motivos atômicos abre caminho para materiais mais duráveis ​​e feitos sob medida. Os pesquisadores do MPIE publicaram seus resultados na Nature Communications .

Motivos atômicos governam as propriedades químicas dos limites dos grãos

"Os dois principais desafios na análise dos limites dos grãos até à escala atómica são, em primeiro lugar, a enorme quantidade de parâmetros que devem ser controlados para compreender o efeito de cada parâmetro nas propriedades do material. E, em segundo lugar, a dificuldade em observar elementos leves com microscopia eletrônica de transmissão", explica o Dr. Xuyang Zhou, primeiro autor da publicação e vice-chefe do grupo de tomografia por sonda atômica do MPIE.

"Desenvolvemos um fluxo de trabalho e um código para microscopia eletrônica de transmissão que envolve o crescimento de bicristais de uma liga de ferro-boro-carbono com a mesma orientação do cristal, mas alterando os planos dos limites dos grãos. Dessa forma, conseguimos controlar os parâmetros interferentes. Para interpretar os dados , desenvolvi um código que ajuda a ver elementos leves como boro e carbono nos limites dos grãos de ferro. Essa é na verdade a primeira vez que conseguimos observar elementos leves nos limites dos grãos de metais pesados, como o ferro."

Os pesquisadores mostraram que mesmo a mera inclinação no plano do limite do grão com desorientação idêntica impacta a composição química e o arranjo atômico da microestrutura e torna o material mais ou menos propenso a falhas.

"Até agora, não era possível visualizar os elementos leves e pesados ​​nos motivos atômicos dos contornos de grão do aço. Especialmente, o espaço aberto em estruturas atômicas ordenadas, os chamados sítios intersticiais, determinam a solubilidade dos elementos leves em um contorno de grão. No futuro, isso permitirá o projeto direcionado e a passivação do estado químico dos limites dos grãos para libertá-los de seu papel como portas de entrada para corrosão, fragilização por hidrogênio ou falha mecânica", explica o Prof. Gerhard Dehm, co-autor da publicação e diretor do departamento de Estrutura e Nano/Micromecânica de Materiais do MPIE.

Os cientistas também usaram o aprendizado de máquina para analisar a composição dos limites dos grãos nos dados obtidos por meio da tomografia por sonda atômica. A tomografia mostra como diferentes elementos estão distribuídos no contorno de grão, oferecendo a possibilidade de gerar análises estatísticas da correlação estrutura-composição.

Próximas etapas:simulações e testes in-situ

A equipe de pesquisadores está agora trabalhando em conjunto com o departamento de Design de Materiais Computacionais do MPIE para usar o código desenvolvido e os dados experimentais para simular como elementos leves como boro, carbono ou hidrogênio se comportam nos materiais.

Além disso, Zhou e seus colegas estão desenvolvendo configurações para aquecimento in-situ e testes de tração em microscópios eletrônicos de transmissão para analisar melhor o comportamento dos limites dos grãos sob condições externas variáveis. Este estudo fornece evidências experimentais diretas para a compreensão da natureza química dos limites dos grãos com base em suas propriedades estruturais em escala atômica.

Mais informações: Xuyang Zhou et al, Motivos atômicos governam a decoração dos limites dos grãos por solutos intersticiais, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-39302-x
Informações do diário: Comunicações da Natureza

Fornecido por Sociedade Max Planck