Los ingenieros de la Universidad de California en San Diego han arrojado nueva luz sobre un misterio científico sobre el mecanismo a nivel atómico de la fragilización del níquel por azufre, un problema clásico que ha desconcertado a la comunidad científica durante casi un siglo. El descubrimiento también enriquece la comprensión fundamental de los límites generales de los granos que a menudo controlan las propiedades mecánicas y físicas de los materiales policristalinos.

El estudio fue dirigido por Jian Luo, profesor de nanoingeniería y ciencia e ingeniería de materiales en la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego. El trabajo se publica el 17 de julio en Comunicaciones de la naturaleza .

Desde principios del siglo XX, Los ingenieros y científicos han reconocido que las impurezas de azufre causan níquel y otros metales dúctiles, como el hierro y el acero, fallar en niveles bajos de estrés. La fragilización de los metales por azufre es de importancia tecnológica general porque muchas aleaciones de ingeniería se utilizan en entornos que contienen azufre. como las aleaciones de alta temperatura a base de níquel que se utilizan en las centrales eléctricas de carbón de próxima generación para aumentar la eficiencia energética.

Los investigadores han sabido que esta fragilización está relacionada con la segregación de azufre en los límites del grano, pero los mecanismos atómicos subyacentes siguen siendo esquivos.

Los ingenieros de UC San Diego han arrojado nueva luz sobre estos mecanismos al examinar los límites generales de los granos en los policristales de níquel dopados con azufre. Utilizaron una combinación de microscopía electrónica de transmisión de barrido con corrección de aberraciones y simulaciones atomísticas de conjunto semi-gran-canónico.

El equipo de Luo descubrió que la competencia entre el ordenamiento interfacial y el desorden conduce a la formación alterna de facetas amorfas y bicapa en los límites generales de los granos. También encontraron que las estructuras interfaciales bipolares causan fracturas intergranulares frágiles entre estructuras polares de azufre-níquel que están alineadas desordenadamente en dos direcciones opuestas.

"Mecanismos similares pueden causar fragilización de los límites del grano en otros sistemas metal-no metal. Por ejemplo, oxígeno, azufre, fragilización por fósforo e hidrógeno de otros metales y aleaciones. Estos son de gran importancia tecnológica, "dijo Luo.

Este trabajo avanza aún más la investigación anterior del grupo de Luo sobre la fragilización del níquel por bismuto, que se hizo en colaboración con la Universidad de Lehigh y se publicó en dos informes posteriores en Ciencias en 2011 y 2017. Los investigadores descubrieron que se forman estructuras interfaciales altamente ordenadas en los límites generales de los granos en el níquel dopado con bismuto. En el nuevo Comunicaciones de la naturaleza estudio, El grupo de Luo descubrió que las estructuras interfaciales bipolares desordenadas se forman en níquel dopado con azufre.

"El bismuto y el azufre son dos impurezas que debilitan bien el níquel. Curiosamente, encontramos que estos representan dos casos extremos de estructuras interfaciales:ordenadas versus desordenadas, respectivamente. Por lo tanto, pueden considerarse como dos ejemplos clásicos de fragilización de los límites de grano con diferentes estructuras atomísticas subyacentes, "Dijo Luo.

Aparte de los mecanismos de fragilización, Los investigadores dicen que este estudio arroja nueva luz sobre los misteriosos fenómenos anormales de crecimiento de granos en el níquel dopado con azufre. y enriquece la comprensión fundamental de las interfaces desordenadas. Este estudio también desafía una visión tradicional al mostrar que la orientación de la faceta del límite de grano, en lugar de la desorientación, dicta la estructura interfacial.

"Este trabajo amplía nuestro conocimiento fundamental de las interfaces de materiales más allá de las interfaces ordenadas bien caracterizadas y los límites simétricos especiales en los bicristales artificiales que han sido el foco de la mayoría de los estudios anteriores. Ahora, tenemos una nueva visión de las interfaces desordenadas y los límites generales de grano en policristales del mundo real, que a menudo limitan el rendimiento de la mayoría de los materiales de ingeniería, "dijo Luo.