THE EFFECT OF IMPURITY ELEMENTS ON CHEMICAL BONDING AT GRAIN BOUNDARIES

Résumé
Malgré des concentrations totales très basses, les impuretés se ségrègent souvent aux joints de grains des métaux, où elles s'accumulent. A cause de cette ségrégation, les joints de grains peuvent être affaiblis. Ainsi ils deviennent les chemins préférés pour la rupture fragile. Dans cet article on présente les résultats de calculs d'amas en mécanique quantique qui relèvent de ce problème. Notre exemple est la fragilisation de nickel par le soufre. Nos calculs montrent que les éléments fragilisants sont électronégatifs à l'égard du métal et ils attirent sur eux des charges de ce métal. Ainsi les charges sont retirées des liaisons métal-métal, qui sont affaiblies. La fragilisation résulte de cet affaiblissement. On montre de plus que, bien que ce modèle de fragilisation soit vrai pour des amas de plusieurs configurations, les degrés de transport et d'affaiblissement des liaisons ne sont pas les mêmes dans tous les cas. On conclut que le degré de fragilisation des joints de grains dépend non seulement de la concentration des impuretés mais aussi de la structure du joint de grains.

Abstract
Impurity elements, which have very low bulk concentrations in metals, often segregate to grain boundaries where their concentrations can be greatly enriched. As a results of this segregation, the grain boundaries are often weakened so that they become preferred paths for brittle fracture. This paper presents the results of fully quantum mechanical cluster calculations which have been applied to this problem. The particular system which we have considered is the embrittlement of nickel by sulfur. Our results will show that embrittling elements are electronegative with respect to their host metal, and draw charge off of the host metal onto themselves. As a result of this charge transfer, there is less charge available to participate in metal-metal bonds and they are weakened. It is the weakening of these bonds that leads to embrittlement. The results further show that, although the qualitative model for embrittlement is independent of the cluster geometry, the degree of charge transfer and hence the amount of weakening of the metal-metal bonds does depend on geometry. Therefore, grain boundary embrittlement is not strictly a function of concentration of the impurity but of the structure as well.