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    Ordenado, superestructuras inducidas por segregación en los límites generales de grano

    Imágenes de modelos atomísticos e imágenes de STEM HAADF (campo oscuro anular de alto ángulo de microscopía electrónica de transmisión de barrido) que muestran tres ejemplos de superestructuras inducidas por segregación observadas en límites generales de grano seleccionados al azar de una aleación policristalina de níquel-bismuto (Ni-Bi) . La formación de tales superestructuras ordenadas y las reconstrucciones interfaciales asociadas que cambian las simetrías de traslación 2-D en ambos planos de grano terminales, que se había pensado imposible de realizar en los límites generales de grano que deberían carecer de una simetría de traslación de largo alcance de acuerdo con las teorías clásicas de la metalurgia física, se habilitan por facetas, así como la formación de escalones a nivel atómico en los límites de los granos. Este descubrimiento algo sorprendente enriquece nuestro conocimiento fundamental de las estructuras de segregación a nivel atómico en los límites generales de los granos, que son importantes para controlar una amplia gama de propiedades mecánicas y físicas de las aleaciones policristalinas. Específico para este sistema de níquel-bismuto, Tales superestructuras interfaciales son la causa principal de un fenómeno misterioso llamado "fragilización del metal líquido, ”En el que un metal de níquel normalmente dúctil o una aleación a base de níquel puede fallar catastróficamente de una manera extremadamente frágil en contacto con un metal líquido a base de bismuto. Crédito:Universidad de California - San Diego

    Un equipo de investigadores descubrió que, seleccionados al azar, Angulo alto, los límites generales de grano en una aleación policristalina de níquel-bismuto (Ni-Bi) pueden sufrir una reconstrucción interfacial para formar superestructuras ordenadas, un descubrimiento que enriquece las teorías y los conocimientos fundamentales tanto de la segregación de los límites de grano como de la fragilización del metal líquido en la metalurgia física.

    Este descubrimiento muestra que las superestructuras ordenadas inducidas por la segregación no se limitan a límites de grano especiales que son inherentemente periódicos, pero puede existir en una variedad de límites generales de grano que se pensaba que carecían de un orden de largo alcance; por eso, pueden afectar el rendimiento de las aleaciones de ingeniería policristalinas.

    El equipo, incluido el profesor de nanoingeniería Jian Luo aquí en la Universidad de California en San Diego como coautor correspondiente junto con el profesor Martin Harmer en la Universidad de Lehigh, expone sus hallazgos en el 6 de octubre, 2017 edición de Ciencias .

    Los investigadores observaron e investigaron superestructuras inducidas por segregación en límites de grano generales seleccionados al azar de una aleación policristalina de Ni-Bi a través de microscopía electrónica de transmisión de barrido con corrección de aberración (AC STEM), junto con cálculos de teoría funcional de densidad de primeros principios.

    Los límites de grano son interfaces internas en materiales policristalinos que a menudo controlan las propiedades de los materiales. La segregación de elementos de aleación o impurezas en los límites de los granos puede alterar significativamente, a menudo se degradan gravemente, las propiedades mecánicas y físicas de las aleaciones de ingeniería.

    Crédito:Universidad de California - San Diego

    Los estudios anteriores de las estructuras de segregación y límites de granos a nivel atómico se han centrado principalmente en límites de inclinación y torsión simétricos especiales o de ángulo pequeño con altas simetrías y periodicidades bien definidas en bicristales artificiales. Sin embargo, la mayoría de los límites de grano en materiales policristalinos son los llamados límites de grano "generales" de carácter mixto de inclinación y torsión, los cuales no se comprenden bien debido a las dificultades para caracterizarlos y modelarlos. Todavía, Tales límites generales de grano son a menudo significativamente más débiles mecánica y químicamente que los bien estudiados límites de grano especiales, lo que limita las propiedades y el rendimiento de los materiales de ingeniería. Aquí, una visión tradicional es que estos límites de grano generales de alto ángulo pueden no sufrir reconstrucciones interfaciales para formar superestructuras ordenadas porque falta una correspondencia de celosía entre los dos granos contiguos. Esta creencia tradicional es desafiada por este nuevo informe en Ciencias .

    Más específicamente, reconstrucciones interfaciales que cambian las simetrías de traslación 2-D, que se sabe que ocurren con frecuencia en superficies cristalinas, se pensó que era imposible realizarlos en los límites generales de grano que deberían carecer de simetrías de traslación de largo alcance. Pero los investigadores demostraron que se habilita facetando, así como la formación de escalones a nivel atómico en los límites de los granos, que permite que se produzcan reconstrucciones interfaciales separadas en ambos planos de superficie del grano de terminación en una fase interfacial de "bicapa" única (en la que una "fase interfacial" se refiere a una fase termodinámicamente bidimensional formada espontáneamente en una interfaz, que también se llama "complexión").

    Específico para este sistema de níquel-bismuto, Tales superestructuras interfaciales son la causa principal de un fenómeno misterioso llamado "fragilización del metal líquido, en el que un metal de níquel normalmente dúctil o una aleación a base de níquel puede fallar catastróficamente de una manera extremadamente frágil en contacto con un metal líquido a base de bismuto.

    Este trabajo es más, avance significativo de la investigación colaborativa anterior de Luo con la Universidad de Lehigh publicada hace seis años [Luo et al., Ciencias 333:1730-1733 (2011)].

    Crédito:Universidad de California - San Diego

    En ese trabajo anterior, Los investigadores descubrieron esta fase interfacial bicapa que es responsable de la misteriosa fragilización del metal líquido en el níquel-bismuto, pero las estructuras atómicas exactas de las bicapas no se habían determinado en ese momento. Específicamente, no estaba claro si los átomos de bismuto segregados pueden formar superestructuras reconstruidas, cuya existencia no se esperaba en los límites generales de grano, pero se han revelado en este nuevo estudio. Otra observación científicamente interesante del estudio actual es que la reconstrucción interfacial es impulsada y dictada por la orientación de la superficie del grano de terminación, en lugar de por la desorientación de la celosía entre los dos granos contiguos como se cree comúnmente en la metalurgia física clásica.

    Los investigadores creen que estos descubrimientos nuevos y algo sorprendentes son científicamente importantes y enriquecen nuestra comprensión fundamental de los límites generales de los granos que a menudo controlan las propiedades de rendimiento de varios materiales de ingeniería policristalinos.

    Este trabajo fue apoyado principalmente por un proyecto ONR MURI dirigido por el profesor Martin Harmer en la Universidad de Lehigh (2011-2017). El primer autor de este artículo es el Dr. Zhiyang Yu, quien actualmente es profesor asociado en la Universidad Tecnológica de Xiamen en China. Este trabajo también fue una colaboración con el profesor Patrick R. Cantwell en el Instituto de Tecnología Rose-Hulman, El profesor Michael Widom y su alumno, Dr. Qin Gao, y el profesor Gregory S. Rohrer de la Universidad Carnegie Mellon, Dra. Denise Yin de la Universidad de Lehigh, y el Dr. Yuanyao Zhang y el Dr. Naixie Zhou, ambos recibieron recientemente su Ph.D. grados en Ciencia e Ingeniería de Materiales de UC San Diego.

    En un contexto científico más amplio, este estudio enriquece la comprensión fundamental de las fases o complexiones interfaciales 2-D que pueden influir en el proceso de fabricación, desarrollo microestructural, y un espectro de mecánicas, electrónico, iónico, y otras propiedades físicas de materiales tanto metálicos como cerámicos. En un proyecto independiente en curso de la Beca de la Facultad de Vannevar Bush (anteriormente Beca de la Facultad de Ingeniería y Ciencias de la Seguridad Nacional), El profesor Luo y su equipo también están desarrollando diagramas de fase interfacial para ayudar a lograr mejores controles de dichas fases interfaciales 2-D en general.


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