[論文レビュー] Atomic motifs govern the decoration of grain boundaries by interstitial solutes

Xuyang Zhou, Ali Ahmadian+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2022

Corrosion Behavior and Inhibition被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、Feベース合金における間隙固溶体（BおよびC）の結晶粒界における修飾を支配する要因として、原子モチーフ（結晶粒界内に存在する特定の構造単位）が果たす役割を明らかにした。マクロな歪み角から電子構造までをカバーするマルチスケールの分析により、著者らは、同一の結晶粒界歪み角であっても、境界面の傾斜が変わると、化学成分および原子配列が顕著に異なることを示した。これは、原子モチーフが化学的セグリゲーションを制御する決定的要因であることを証明し、腐食および破壊に強い結晶粒界の標的設計を可能にする。

ABSTRACT

Grain boundaries, the two-dimensional (2D) defects between differently oriented crystals, control mechanical and transport properties of materials. Our fundamental understanding of grain boundaries is still incomplete even after nearly a century and a half of research since Sorby first imaged grains. Here, we present a systematic study, over 9 orders of magnitude of size scales, in which we analyze 2D defects between two neighboring crystals across five hierarchy levels and investigate their crystallographic, compositional, and electronic features. The levels are (a) the macroscale interface alignment and grain misorientation (held constant here); (b) the systematic mesoscopic change in the inclination of the grain boundary plane for the same orientation difference; (c) the facets, atomic motifs (structural units), and internal nanoscopic defects within the boundary plane; (d) the grain boundary chemistry; and (e) the electronic structure of the atomic motifs. As a model material, we use Fe alloyed with B and C, exploiting the strong interdependence of interface structure and chemistry in this system. This model system is the basis of the 1.9 billion tons of steel produced annually and has an eminent role as a catalyst. Surprisingly, we find that even a change in the inclination of the GB plane with identical misorientation impacts GB composition and atomic arrangement. Thus, it is the smallest structural hierarchical level, the atomic motifs, which control the most important chemical properties of the grain boundaries. This finding not only closes a missing link between the structure and chemical composition of such defects but also enables the targeted design and passivation of the chemical state of grain boundaries to free them from their role as entry gates for corrosion, hydrogen embrittlement, or mechanical failure.

研究の動機と目的

• 金属における間隙固溶体が結晶粒界に修飾される構造的・化学的要因を理解すること。
• 材料科学分野における長年の課題である結晶粒界構造と化学成分のギャップを解消すること。
• 結晶粒界における化学的セグリゲーションを最も強く制御する階層的構造レベルを特定すること。
• 材料性能の向上を目的とした、結晶粒界化学の標的的エンジニアリングを可能にすること。

提案手法

• マクロな歪み角、ミクロ的な面の傾斜、原子モチーフおよび面、化学成分、電子構造の5段階の階層的構造レベルにおける結晶粒界の体系的分析。
• 界面構造と化学の強い結合性を示すため、Fe-B-Cをモデル系として採用。
• 原子プローブトモグラフィーおよび透過電子顕微鏡を用いた、原子スケールの構造と成分を解明する先進的分析手法の活用。
• 原子モチーブと溶質セグリゲーションのエネルギー的性質を結びつけるための計算モデリングおよび電子構造解析。
• 歪み角を一定に保ちつつ、結晶粒界面の傾斜を制御的に変化させ、構造的要因を分離する。
• 複数のスケールにわたり、原子モチーブと溶質セグリゲーション行動の相関関係を分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 歪み角を一定に保った状態で、結晶粒界面の傾斜が溶質セグリゲーションにどのように影響するか？
• RQ2 結晶粒界構造のどの階層的レベルが、間隙固溶体の化学成分に最も強く影響を与えるか？
• RQ3 FeにおけるBおよびCの結晶粒界へのセグリゲーションを媒介する原子モチーブの役割は何か？
• RQ4 原子モチーブの電子構造的特徴が、溶質の結合および修飾にどのように寄与するか？
• RQ5 原子モチーブを、劣化に対する結晶粒界の不活性化のための設計パrameterとして利用可能か？

主な発見

• 同一の歪み角であっても、結晶粒界面の傾斜を変化させると、BおよびCの溶質セグリゲーションおよび原子配列に顕著な差が生じる。
• 原子モチーブ（境界内に存在する局所的構造単位）が、化学成分および溶質修飾を支配する主要因であることが同定された。
• 特定の原子モチーブの電子構造が、間隙固溶体の結合エネルギーおよびセグリゲーション傾向と強く相関している。
• 境界面の傾斜の変化により、原子モチーブの存在割合および安定性が変化し、その結果として溶質セグリゲーションが調整される。
• 本研究は、結晶粒界における構造-成分関係の重要なギャップを埋め、結晶粒界化学の予測的設計を可能にする。
• 本研究は、原子モチーブを、腐食および水素脆化に耐性のある結晶粒界を設計するための主要設計パrameterとして確立した。