Des ingénieurs de l'Université de Californie à San Diego ont jeté un nouvel éclairage sur un mystère scientifique concernant le mécanisme au niveau atomique de la fragilisation par le soufre du nickel, un problème classique qui intrigue la communauté scientifique depuis près d'un siècle. La découverte enrichit également la compréhension fondamentale des joints de grains généraux qui contrôlent souvent les propriétés mécaniques et physiques des matériaux polycristallins.

L'étude a été dirigée par Jian Luo, professeur de nano-ingénierie et de science et ingénierie des matériaux à la UC San Diego Jacobs School of Engineering. L'ouvrage est publié le 17 juillet dans Communication Nature .

Depuis le début des années 1900, les ingénieurs et les scientifiques ont reconnu que les impuretés de soufre provoquent du nickel et d'autres métaux ductiles, comme le fer et l'acier, échouer à de faibles niveaux de stress. La fragilisation des métaux par le soufre est d'une importance technologique générale car de nombreux alliages techniques sont utilisés dans des environnements contenant du soufre, tels que les alliages haute température à base de nickel utilisés dans les centrales électriques au charbon de nouvelle génération pour augmenter l'efficacité énergétique.

Les chercheurs savent que cette fragilisation est liée à la ségrégation intergranulaire du soufre, mais les mécanismes atomiques sous-jacents sont restés insaisissables.

Les ingénieurs de l'UC San Diego ont apporté un nouvel éclairage sur ces mécanismes en examinant les joints de grains généraux dans des polycristaux de nickel dopés au soufre. Ils ont utilisé une combinaison de microscopie électronique à transmission à balayage à correction d'aberration et de simulations atomistiques d'ensemble semi-grand-canoniques.

L'équipe de Luo a découvert que la compétition entre l'ordre et le désordre interfacial conduit à la formation alternée de facettes de type amorphe et de type bicouche aux joints de grains généraux. Ils ont également découvert que les structures interfaciales bipolaires provoquent des fractures intergranulaires fragiles entre les structures polaires soufre-nickel qui sont alignées de manière désordonnée dans deux directions opposées.

"Des mécanismes similaires peuvent provoquer une fragilisation des joints de grains dans d'autres systèmes métal-non-métal. Les exemples incluent l'oxygène, soufre, fragilisation par le phosphore et l'hydrogène d'autres métaux et alliages. Ceux-ci sont d'une grande importance technologique, " dit Luo.

Ce travail fait avancer les recherches antérieures du groupe de Luo sur la fragilisation du nickel par le bismuth, qui a été fait en collaboration avec l'Université Lehigh et publié dans deux rapports ultérieurs en Science en 2011 et 2017. Les chercheurs ont découvert que des structures interfaciales hautement ordonnées se forment aux joints de grains généraux dans le nickel dopé au bismuth. Dans le nouveau Communication Nature étudier, Le groupe de Luo a découvert que des structures interfaciales bipolaires désordonnées se forment dans le nickel dopé au soufre.

"Le bismuth et le soufre sont deux impuretés fragilisantes bien connues pour le nickel. Fait intéressant, nous avons constaté qu'il s'agit de deux cas extrêmes de structures interfaciales :ordonnées versus désordonnées, respectivement. Ainsi, ils peuvent être considérés comme deux exemples classiques de fragilisation des joints de grains avec des structures atomistiques sous-jacentes différentes, " dit Luo.

Outre les mécanismes de fragilisation, les chercheurs disent que cette étude jette un nouvel éclairage sur les mystérieux phénomènes anormaux de croissance des grains dans le nickel dopé au soufre, et enrichit la compréhension fondamentale des interfaces désordonnées. Cette étude remet également en cause une vision traditionnelle en montrant que l'orientation de la facette joint de grain, au lieu de la désorientation, dicte la structure interfaciale.

"Ce travail élargit notre connaissance fondamentale des interfaces de matériaux au-delà des interfaces ordonnées bien caractérisées et des limites symétriques spéciales dans les bicristaux artificiels qui ont fait l'objet de la plupart des études antérieures. Maintenant, nous avons un nouvel aperçu des interfaces désordonnées et des joints de grains généraux dans les polycristaux du monde réel, qui limitent souvent les performances de la plupart des matériaux techniques, " dit Luo.