[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究揭示了原子构型——晶界内特定的结构单元——决定了铁基合金中晶界对间隙溶质（B 和 C）的修饰行为。通过从宏观取向角到电子结构的多尺度表征，作者证明，即使晶界取向相同，当晶界平面倾斜度变化时，其化学成分和原子排布亦显著不同，从而证实原子构型是控制化学偏析的决定性因素，为针对性设计晶界以抵抗腐蚀和脆化提供了可能。

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.

研究动机与目标

• 理解控制金属中晶界处间隙溶质修饰行为的结构与化学因素。
• 弥合材料科学中晶界结构与化学成分之间长期存在的鸿沟。
• 识别在晶界处化学偏析中起主导作用的结构层级。
• 实现对晶界化学的针对性工程设计，以提升材料性能。

提出的方法

• 对晶界在五个层级上的系统分析：宏观取向角、介观平面倾斜度、原子构型与晶面、化学成分及电子结构。
• 选用 Fe-B-C 作为模型体系，因其界面结构与化学性质之间存在强耦合。
• 采用先进的表征技术，包括原子探针穿刺技术和透射电子显微镜，以探测原子尺度的结构与成分。
• 通过计算建模与电子结构分析，建立原子构型与溶质偏析能量之间的关联。
• 在保持取向角恒定的前提下，控制改变晶界平面的倾斜度，以隔离结构效应。
• 在多个尺度上关联原子构型与溶质偏析行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 当取向角保持不变时，晶界平面的倾斜度如何影响溶质偏析？
• RQ2 晶界结构的哪个层级对间隙溶质的化学成分具有最强的控制作用？
• RQ3 原子构型在铁中 B 和 C 溶质于晶界处偏析过程中发挥何种作用？
• RQ4 原子构型的电子结构特征如何影响溶质结合能与修饰行为？
• RQ5 原子构型能否作为设计参数，用于使晶界对降解具有抗性？

主要发现

• 即使取向角相同，改变晶界平面的倾斜度也会导致 B 和 C 溶质偏析行为及原子排布发生显著差异。
• 原子构型——晶界内局部的结构单元——被确定为控制化学成分与溶质修饰行为的主导因素。
• 特定原子构型的电子结构与间隙溶质结合能及偏析倾向存在强烈相关性。
• 晶界平面倾斜度的变化会改变原子构型的种类与稳定性，从而调节溶质偏析行为。
• 本研究填补了晶界结构-成分关系理解中的关键空白，实现了对晶界化学的预测性设计。
• 本工作确立了原子构型作为工程晶界以抵抗腐蚀与氢致脆化的关键设计参数。