Nečistoty v železe, niklu a hliníku snižují soudržnost materiálu a můžou vést i ke katastrofickým scénářům selhání kovových konstrukcí. Rozsáhlý přehled teoretických a experimentálních poznatků, který vyplývá z dlouholetého výzkumu vědců z Fyzikálního ústavu AV ČR a Středoevropského technologického institutu CEITEC, uveřejnil prestižní časopis Progress in Materials Science.

Jde o časopis s impaktním faktorem 31,083, v pořadí je třetím z 271 časopisů v kategorii Materials Science, Multidisciplinary, je téměř v nejvyšším percentilu (1.11 %) v této kategorii. Uveřejnění článku v časopise tohoto formátu je velkým úspěchem. „Úspěch je ještě cennější tím, že český autorský tým se obešel bez zahraniční kapacity z prestižní vědecké instituce, která by mu pomyslně otevřela dveře," uvádí jeden z autorů prof. Pavel Lejček z Fyzikálního ústavu AV ČR. 

Nízká soudržnost materiálu může vést k nenadálému zhroucení kovové konstrukce, jak se stalo například v elektrárně Hinkley Point A v roce 1969, kdy se roztrhl rotor turbíny. „Tuto takzvanou mezikrystalovou křehkost způsobují příměsi a stopové prvky, které nejdou při výrobě dané součástky nikdy zcela odstranit a které se postupem času hromadí v místech mezi jednotlivými krystaly látky nazývanými hranice zrn," vysvětluje spoluautor publikace prof. Mojmír Šob z výzkumné skupiny Syntéza a analýza nanostruktur CEITEC.

Atomy příměsí segregují na hranicích zrn až do úplné monoatomární vrstvy, jak je schematicky naznačeno v obrázku. To způsobuje zkřehnutí materiálu, které může mít i katastrofální důsledky.

„Příměsi mají tendenci se při vyšších teplotách hromadit na hranicích zrn a měnit vazebné poměry tak, že může snadno nastat výrazné snížení koheze materiálu a bleskové rozlomení součásti," dodává prof. Lejček.

Tým profesorů Lejčka a Šoba se tímto problémem zabývá dlouhodobě. Získal už řadu poznatků například o magnetismu hranic zrn nebo o závislosti segregace nečistot na orientaci hranic. Na brněnských pracovištích se výzkumníci zabývají především teoretickým modelováním vlastností materiálu a simulacemi struktur. Pracoviště Akademie věd ČR pak provádějí zejména experimentální výzkum.

V publikovaném článku autoři shrnuli a kriticky zhodnotili hodnoty segregačních energií širokého spektra příměsí v železe, niklu a hliníku na hranicích zrn i površích těchto materiálů. Tyto hodnoty vědci získali na základě vlastních výpočtů a experimentů i s využitím údajů dostupných v literatuře. „U nich jsme hodnotili, za jakých podmínek a jakými postupy byly určeny a nakolik jsou důvěryhodné," doplňuje prof. Šob s tím, že výsledky tohoto základního výzkumu mohou využít například odborníci, kteří se zabývají novými možnostmi zpracování kovů. Metodika uvedená v práci se dá aplikovat také na další materiály.

P. Lejček, M. Šob, V. Paidar: Interfacial segregation and grain boundary embrittlement: An overview and critical assessment of experimental data and calculated results. Progress in Materials Science 87 (2017) 83–139. Dostupné na http://dx.doi.org/10.1016/j.pmatsci.2016.11.001

Připravila: Leona Matušková, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR, s využitím materiálu Fyzikálního ústavu AV ČR a článku CEITEC.
Foto: Pixabay, FZÚ AV ČR a CEITEC