Nature子刊：晶界微观图像揭示硫杂质使镍变脆的原因

      镍的硫脆化原子级机制是困扰科学界近一个世纪的经典问题，而加利福尼亚大学圣地亚哥分校的工程师们对这个问题有了新的认识和发现。该发现还丰富了科学界对于晶界控制多晶材料性质的基本理解。

      该研究由加州大学圣地亚哥分校工程学院纳米工程和材料科学工程教授Jian Luo负责。这项研究成果于7月17日在《Nature Communications》上得以发表。

      自20世纪初，工程师与专家学者们已经认识到硫杂质会导致镍和其他韧性金属（如铁和钢）在低应力水平下的失效。而由于许多工程合金都将用于含硫环境，如用于新一代燃煤电厂的镍基高温合金，因此金属的硫脆化具有普遍的技术重要性。

      目前研究人员已经知道这种脆化与硫的晶界偏析有关，但其中潜在的原子机制仍然难以捉摸。

      加州大学圣地亚哥分校的工程师通过研究硫掺杂镍多晶体中的晶界，揭示了这些原子机制。在研究过程中他们使用了像差校正扫描透射电子显微镜和半大规模集合原子模拟的组合来揭示其中的机制。

      Luo的研究小组发现，界面有序和无序化将会在晶界处交替形成非晶状和双层状小平面。他们还发现，双极界面结构会导致极性硫—镍结构之间的脆性晶间断裂，这两种结构会在两个相反的方向上进行无序排列。

      “类似的机制可能会导致其他金属—非金属体系的晶界脆化。例如氧，硫，磷和其他金属和合金的氢脆化。这些也具有广泛的技术重要性。”Luo说。

      这项工作进一步推进了罗氏小组关于镍的铋脆化的研究，该研究是与利哈伊大学合作完成的，并在2011年和2017年的《Science》杂志上发表了两篇报告。研究人员发现，在铋掺杂的镍中，晶界处形成高度有序的界面结构。在新的《Nature Communications》研究中，罗氏研究小组发现在硫掺杂镍形成了无序双极界面结构。

      “铋和硫是两种众所周知的镍脆化杂质。有趣的是，我们发现它们分别代表界面结构的两种极端情况——有序与无序。因此，它们可能被认为是两种不同的原子结构晶界脆化的典型例子。”Luo说。

      研究人员表示，除了脆化机制之外，这项研究还揭示了硫掺杂镍中晶粒异常生长的现象，并丰富了对无序界面的基本认识。该研究还揭示了界面结构是由晶界面的取向而非位错决定的，这挑战了传统观点。