Prestižní vysokoimpaktový časopis zveřejňuje klíčovou českou studii o chemii hranic zrn a jejích důsledcích pro mezikrystalovou křehkost

Mezikrystalová křehkost je jedním z nejnebezpečnějších jevů způsobujících katastrofické selhání kovových konstrukčních materiálů. Je to proto, že probíhá velice rychle a její výskyt se dá jen stěží předpovědět. Je také známo, že tento problém je úzce spjat s chemickým složením mezikrystalových oblastí – hranic zrn. Příměsi a stopové prvky mají tendenci se při vyšších teplotách hromadit, tedy segregovat, na hranicích zrn v takovém rozsahu, že mohou dosahovat až obsazení všech atomárních poloh v těchto útvarech. Tím se samozřejmě mění vazebné poměry na hranicích zrn a může snadno nastat tak výrazné snížení koheze materiálu, že při namáhání dojde k bleskovému rozlomení součásti. To bylo koneckonců prakticky pozorováno např. v případě rotorů turbín jaderných elektráren ve Velké Británii v 60. letech minulého století.

Systematický experimentální i teoretický výzkum vědců z Fyzikálního ústavu AV ČR, Ústavu fyziky materiálů AV ČR a Masarykovy univerzity v oblasti segregace příměsí na hranicích zrn a jejími důsledky pro mezikrystalovou křehkost vedl k získání světově uznávaných originálních základních poznatků. Těmi jsou např. závislost segregace příměsí na orientaci hranice, konstrukce diagramů segregace či tzv. kompenzačního jevu mezi entropií a entalpií segregace nebo zavedení pojmu „segregační objem“. Není tedy překvapivé, že shrnutí hodnot energie segregace širokého spektra příměsí v železe, niklu a hliníku na hranicích zrn a na volných površích, resp. hodnot energie zkřehnutí získaných jak vlastními experimenty a výpočty, tak dostupných v literatuře, které tito vědečtí pracovníci sestavili, bylo uveřejněno ve špičkovém časopise v oblasti materiálů, Progress in Materials Science, s impaktním faktorem 31,083. Zmíněný úspěch je ještě cennější tím, že český autorský tým se obešel bez zahraniční kapacity z prestižní západní vědecké instituce, která by do takového časopisu „otvírala dveře“, ale publikovaný článek pochází výlučně od domácích autorů.

(A) Závislost energie, ∆E_I^GB, a entalpie, ∆H_I^0,GB, segregace příměsí na hranicích zrn α-Fe na rozpustném teple, ∆G_I^sol, při 800 K. Obrázek zahrnuje příměsi s rozpustností nad 1at%. Modré trojúhelníky znázorňují experimentální data, červené a zelené symboly odpovídají vypočteným hodnotám.

(B) Závislost energie, ∆E_I^GB, a entalpie, ∆H_I^0,GB, segregace příměsí na hranicích zrn α-Fe na rozpustnosti, X_I^*, při 800 K. Obrázek zahrnuje všechny studované příměsi. Modré trojúhelníky znázorňují experimentální data, červené a zelené symboly odpovídají vypočteným hodnotám.

Kromě referativního přínosu obsahuje tento článek i zobecnění a kritické zhodnocení věrohodnosti řady dat, která se objevují v literatuře. Autoři např. ukázali, že hodnoty segregačních energií stanovených experimentálně (modré trojúhelníky na obr. (A,B)) a vypočtených teoreticky (červené a zelené symboly na obr. (A,B)) vykazují vynikající shodu pro příměsi s dobrou rozpustností v základním kovu (nad 1 atomární %), ale překvapivě velký rozptyl pro příměsi s nižší rozpustností. Důvodem pro tuto náhlou změnu ve srovnání uvedených dvou typů dat je to, že teoretické výpočty se provádějí nejčastěji pomocí buněk obsahujících řádově 100 atomů, takže koncentrace příměsi při takovém výpočtu je kolem 1%. Pokud je rozpustnost příměsi nižší než toto 1%, odpovídají vypočtené hodnoty nerovnovážnému stavu a jsou těžko srovnatelné s experimentálními výsledky získanými pro rovnovážné podmínky. Problém rozpustnosti se však naopak neprojevuje při určení energie zkřehnutí, neboť sporný nerovnovážný člen se při výpočtu vyruší.

Výsledky prezentované v článku poslouží nejen ke kritičtějšímu přístupu k hodnotám segregační energie určeným experimentálně a vypočteným teoreticky, ale i ke kvalifikovanému odhadu chemického složení jednotlivých hranic zrn či volných povrchů a vlivu jednotlivých příměsí na mezikrystalovou kohezi základních konstrukčních materiálů na bázi železa (obr. (C)), niklu a hliníku. Na základě článku pak lze podobný přístup aplikovat na jakýkoli jiný základní materiál.

(C) Závislost energie zkřehnutí (∆E_SE,I, ∆G_SE,I) různých příměsí v α-Fe na rozdílu sublimačních entalpií železa a příměsi, H_Fe^subl a H_I^subl. Příměsi s kladnou hodnotou ∆E_SE,I přispívají ke zkřehnutí železa, zatímco záporné hodnoty ∆E_SE,I indikují zpevnění hranic zrn v železe.

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. http://dx.doi.org/10.1016/j.pmatsci.2016.11.001