Modèles atomistiques et images STEM HAADF (scanning transmission electron microscopic high-angle annular dark-field) à résolution atomique montrant trois exemples de superstructures induites par la ségrégation observées à des joints de grains généraux choisis au hasard d'un alliage polycristallin nickel-bismuth (Ni-Bi) . La formation de telles superstructures ordonnées et les reconstructions interfaciales associées qui modifient les symétries de translation 2D au niveau des deux plans de grains terminaux, que l'on croyait impossible à réaliser aux joints de grains généraux qui devraient manquer d'une symétrie translationnelle à longue portée selon les théories classiques de la métallurgie physique, sont activés par facettage, ainsi que la formation d'échelons au niveau atomique aux joints de grains. Cette découverte quelque peu surprenante enrichit notre connaissance fondamentale des structures de ségrégation au niveau atomique aux joints de grains généraux, qui sont importants pour contrôler une large gamme de propriétés mécaniques et physiques des alliages polycristallins. Spécifique à ce système nickel-bismuth, de telles superstructures interfaciales sont à l'origine d'un mystérieux phénomène appelé « fragilisation du métal liquide, ” dans lequel un nickel métallique ou un alliage à base de nickel normalement ductile peut tomber en panne de manière catastrophique d'une manière extrêmement fragile au contact d'un métal liquide à base de bismuth. Crédit :Université de Californie - San Diego
Une équipe de chercheurs a découvert que, choisis au hasard, grand angle, les joints généraux de grains dans un alliage polycristallin nickel-bismuth (Ni-Bi) peuvent subir une reconstruction interfaciale pour former des superstructures ordonnées, une découverte qui enrichit les théories et les compréhensions fondamentales de la ségrégation des joints de grains et de la fragilisation des métaux liquides en métallurgie physique.
Cette découverte montre que les superstructures ordonnées induites par la ségrégation ne se limitent pas à des joints de grains spéciaux qui sont intrinsèquement périodiques, mais peut exister à une variété de joints de grains généraux que l'on croyait dépourvus d'ordre à longue distance; Par conséquent, ils peuvent affecter les performances des alliages d'ingénierie polycristallins.
L'équipe, y compris le professeur de nano-ingénierie Jian Luo ici à l'Université de Californie à San Diego en tant qu'auteur co-correspondant avec le professeur Martin Harmer à l'Université Lehigh, expose leurs conclusions dans le 6 octobre, Numéro 2017 de Science .
Les chercheurs ont observé et étudié les superstructures induites par la ségrégation à des joints de grains généraux sélectionnés au hasard d'un alliage polycristallin Ni-Bi via une microscopie électronique à transmission à balayage avec correction des aberrations (AC STEM), en conjonction avec les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité des premiers principes.
Les joints de grains sont des interfaces internes dans les matériaux polycristallins qui contrôlent souvent les propriétés des matériaux. La ségrégation des éléments d'alliage ou des impuretés aux joints de grains peut altérer significativement, se dégradent souvent gravement, les propriétés mécaniques et physiques des alliages d'ingénierie.
Crédit :Université de Californie - San Diego
Les études antérieures sur les joints de grains et les structures de ségrégation au niveau atomique se sont principalement concentrées sur les joints d'inclinaison et de torsion symétriques à petit angle ou spéciaux avec des symétries élevées et des périodicités bien définies dans les bicristaux artificiels. Cependant, la plupart des joints de grains dans les matériaux polycristallins sont des joints de grains dits "généraux" à caractère mixte d'inclinaison et de torsion, qui ne sont pas bien compris en raison des difficultés à les caractériser et à les modéliser. Encore, ces joints de grains généraux sont souvent significativement plus faibles mécaniquement et chimiquement que les joints de grains spéciaux bien étudiés, limitant ainsi les propriétés et les performances des matériaux d'ingénierie. Ici, une vue traditionnelle est que ces joints de grains généraux à angle élevé peuvent ne pas subir de reconstructions interfaciales pour former des superstructures ordonnées parce qu'il n'y a pas de correspondance de réseau entre les deux grains en butée. Cette croyance traditionnelle est remise en cause par ce nouveau rapport en Science .
Plus précisement, reconstructions interfaciales qui modifient les symétries translationnelles 2-D, qui sont connus pour se produire fréquemment sur les surfaces cristallines, étaient considérés comme impossibles à réaliser aux joints de grains généraux qui devraient manquer de symétries translationnelles à longue portée. Mais les chercheurs ont montré qu'il est activé par facettage, ainsi que la formation d'échelons atomiques aux joints de grains, qui permet à des reconstructions interfaciales séparées de se produire au niveau des deux plans de surface des grains terminaux dans une phase interfaciale "bicouche" unique (où une "phase interfaciale" fait référence à une phase thermodynamiquement 2-D formée spontanément à une interface, qui est aussi appelé « teint »).
Spécifique à ce système nickel-bismuth, de telles superstructures interfaciales sont à l'origine d'un mystérieux phénomène appelé "fragilisation du métal liquide, " dans lequel un métal nickel normalement ductile ou un alliage à base de nickel peut échouer de manière catastrophique d'une manière extrêmement fragile au contact d'un métal liquide à base de bismuth.
Ce travail est un autre, progrès significatif de la recherche collaborative antérieure de Luo avec l'Université Lehigh publiée il y a six ans [Luo et al., Science 333 :1730-1733 (2011)].
Crédit :Université de Californie - San Diego
Dans ce travail antérieur, les chercheurs ont découvert cette phase interfaciale bicouche qui est responsable de la mystérieuse fragilisation du métal liquide dans le nickel-bismuth, mais les structures atomiques exactes des bicouches n'avaient pas été déterminées à ce moment-là. Spécifiquement, il n'était pas clair si les atomes de bismuth séparés peuvent former des superstructures reconstruites, dont l'existence n'était pas attendue aux joints de grains généraux, mais ont été révélés dans cette nouvelle étude. Une autre observation scientifiquement intéressante de l'étude actuelle est que la reconstruction interfaciale est entraînée et dictée par l'orientation de la surface terminale du grain, plutôt que par une mauvaise orientation du réseau entre les deux grains aboutés comme on le croit communément en métallurgie physique classique.
Les chercheurs pensent que ces découvertes nouvelles et quelque peu surprenantes sont scientifiquement importantes et enrichissent notre compréhension fondamentale des joints de grains généraux qui contrôlent souvent les propriétés de performance de divers matériaux d'ingénierie polycristallins.
Ce travail a été principalement soutenu par un projet ONR MURI dirigé par le professeur Martin Harmer à Lehigh University (2011-2017). Le premier auteur de cet article est le Dr Zhiyang Yu, qui est actuellement professeur agrégé à l'Université de technologie de Xiamen en Chine. Ce travail était également une collaboration avec le professeur Patrick R. Cantwell au Rose-Hulman Institute of Technology, Le professeur Michael Widom et son élève, Dr Qin Gao, et le professeur Gregory S. Rohrer de l'Université Carnegie Mellon, Dr Denise Yin à l'Université Lehigh, et Dr Yuanyao Zhang et Dr Naixie Zhou, qui ont tous deux récemment obtenu leur doctorat. diplômes en science et ingénierie des matériaux de l'UC San Diego.
Dans un contexte scientifique plus large, cette étude enrichit la compréhension fondamentale des phases ou des teints interfaciales 2-D qui peuvent influencer le processus de fabrication, développement microstructural, et un spectre de mécanique, électronique, ionique, et d'autres propriétés physiques des matériaux métalliques et céramiques. Dans un projet distinct en cours de bourse de la faculté Vannevar Bush (anciennement bourse de la faculté des sciences et de l'ingénierie de la sécurité nationale), Le professeur Luo et son équipe développent également des diagrammes de phases interfaciales pour aider à obtenir de meilleurs contrôles de ces phases interfaciales 2-D en général.
