Leichte Elemente in einer Korngrenze sehen: Ein weiterer Schritt, um die Eigenschaften von Materialien bis hinunter zur atomaren Skala zu enträtseln
Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung entwickeln einen Arbeitsablauf und einen Code zur Charakterisierung von Fehlern in Stählen
Um fortschrittliche Werkstoffe zu entwickeln, ist ein tiefes Verständnis der zugrunde liegenden Mikrostruktur und Chemie erforderlich. Zu wissen, wie Defekte das Zusammenspiel zwischen Mikrostruktur und chemischer Zusammensetzung beeinflussen, ist von entscheidender Bedeutung, da sie die Eintrittspforte für ein Versagen des Materials durch Korrosion oder Rissbildung sind. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung (MPIE) haben nun einen Arbeitsablauf und einen Code entwickelt, um zweidimensionale Defekte, so genannte Korngrenzen, in Stählen zu analysieren und zu interpretieren. Sie fanden heraus, dass bestimmte geordnete atomare Motive, die kleinste strukturelle Hierarchieebene in Materialien, die wichtigsten chemischen Eigenschaften von Korngrenzen bestimmen. Die Entwicklung dieser atomaren Motive ebnet den Weg zu haltbareren, maßgeschneiderten Werkstoffen. Die MPIE-Forscher haben ihre Ergebnisse jetzt in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
Atomare Motive bestimmen die chemischen Eigenschaften von Korngrenzen
"Die beiden größten Herausforderungen bei der Analyse von Korngrenzen auf atomarer Ebene sind erstens die große Anzahl an Parametern, die kontrolliert werden müssen, um die Auswirkungen der einzelnen Parameter auf die Materialeigenschaften zu verstehen. Und zweitens die Schwierigkeit, leichte Elemente mit der Transmissionselektronenmikroskopie zu beobachten. Wir haben einen Arbeitsablauf und einen Code für die Transmissionselektronenmikroskopie entwickelt, bei dem Bikristalle einer Eisen-Bor-Kohlenstoff-Legierung mit der gleichen Kristallorientierung, aber mit anderen Korngrenzenebenen gezüchtet werden. Auf diese Weise waren wir in der Lage, die störenden Parameter zu kontrollieren. Um die Daten zu interpretieren, habe ich einen Code entwickelt, der hilft, leichte Elemente wie Bor und Kohlenstoff in den Eisen-Korngrenzen zu erkennen. Das ist tatsächlich das erste Mal, dass wir leichte Elemente in den Korngrenzen von Schwermetallen wie Eisen beobachten konnten", erklärt Dr. Xuyang Zhou, Erstautor der Veröffentlichung und stellvertretender Leiter der Gruppe "Atomsondentomographie" am MPIE. Die Forscher zeigten, dass schon die bloße Verkippung der Korngrenzenebene bei gleicher Fehlorientierung die chemische Zusammensetzung und die atomare Anordnung des Gefüges beeinflusst und das Material mehr oder weniger versagensanfällig macht.
"Bislang war es nicht möglich, die leichten und schweren Elemente in den atomaren Motiven der Korngrenzen in Stahl abzubilden. Insbesondere die Freiräume in geordneten atomaren Strukturen, so genannte Zwischengitterplätze, bestimmen die Löslichkeit der leichten Elemente in einer Korngrenze. Dies wird es in Zukunft ermöglichen, den chemischen Zustand von Korngrenzen gezielt zu gestalten und zu passivieren, um sie von ihrer Rolle als Eintrittspforte für Korrosion, Wasserstoffversprödung oder mechanisches Versagen zu befreien", erklärt Prof. Gerhard Dehm, Mitautor der Veröffentlichung und Leiter der MPIE-Abteilung "Struktur und Nano-/Mikromechanik von Werkstoffen". Die Wissenschaftler setzten auch maschinelles Lernen ein, um die Korngrenzenzusammensetzung in Daten zu analysieren, die durch Atomsondentomographie gewonnen wurden. Die Tomographie zeigt, wie die verschiedenen Elemente in der Korngrenze verteilt sind, und bietet die Möglichkeit, statistische Analysen der Struktur-Zusammensetzung-Korrelation zu erstellen.
Nächste Schritte: Simulationen und In-situ-Tests
Das Forscherteam arbeitet nun mit der Abteilung "Computational Materials Design" am MPIE zusammen, um den entwickelten Code und die experimentellen Daten zu nutzen, um zu simulieren, wie sich leichte Elemente wie Bor, Kohlenstoff oder Wasserstoff in Materialien verhalten. Darüber hinaus entwickeln Zhou und seine Kollegen Vorrichtungen für In-situ-Erwärmung und Zugversuche in Transmissionselektronenmikroskopen, um das Korngrenzenverhalten unter wechselnden äußeren Bedingungen weiter zu analysieren. Diese Studie liefert direkte experimentelle Beweise für das Verständnis der chemischen Natur von Korngrenzen auf der Grundlage ihrer strukturellen Eigenschaften im atomaren Maßstab.
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