Variatie van nanodeeltjesfractie en samenstellingen in tweetraps dubbele pieken verouderingsprecipitatie van Al−Zn−Mg-legering

Resultaten en discussie

De experimentele legering werd onderworpen aan een verouderingsbehandeling in twee fasen, d.w.z. 12 uur gerijpt bij 373 K en vervolgens gedurende verschillende tijden bij 443 K gerijpt. De verouderingshardingscurve van de tweede fase van experimentele legering wordt getoond in Fig. 1. De toestanden op 0, 2, 8 en 14 uur van het verouderingsproces in de tweede fase kwamen overeen met UA (onder veroudering), PAI (piekveroudering I), PAII (piekveroudering II) en OA (T73 bij oververoudering), respectievelijk. Volgens hardheidsvariatie verliest legering in T73-toestand ~ 15% hardheid in vergelijking met PAI.

Verouderingsverhardingscurve van de experimentele legering in het verouderingsproces van de tweede fase

Typische nanodeeltjes in dergelijke vier toestanden werden waargenomen door HRTEM, en de heldere veld (BF) -beelden worden getoond in figuur 2. De volledig coherente relatie tussen het nanodeeltje en de Al-matrix nabij de [110] zone-as in figuur 2a bewijst direct de aanwezigheid van huisarts zone in UA [16]. Naarmate de verouderingstijd verlengt, wordt G.P. zone wordt grover in PAI en is nog steeds coherent met de Al-matrix zoals weergegeven in figuur 2b. Voor het nanodeeltje getoond in figuur 2c is de roostervervorming duidelijk te zien, die verband houdt met de procedure waarbij het Zn-atoom in het rooster beweegt en wanorde veroorzaakt in de η′-fase [17]. Ondertussen meldde het eerdere onderzoek ook dat de tweede verouderingspiek voornamelijk wordt veroorzaakt door de η′-fase [6]. Het typische nanodeeltje in OA dat wordt getoond in figuur 2d is echter totaal onsamenhangend met de Al-matrix en vertoont een hexagonaal rooster nabij de [001] zone-as, die kan worden herkend als η-fase. Met name de a as wordt gemeten bij ~ 0,53 nm en komt goed overeen met de eerdere studie over de evenwichts-η-fase [18].

BF HRTEM-beelden van typische nanodeeltjes in verschillende stadia van het verouderingsproces van de tweede fase:a UA, b PAI, c PAII, en d o.a. Geselecteerde gebiedselektronendiffractie (SAED) patronen nabij [110], [011], [011] en [001] zone-as worden weergegeven als inzetstukken in a –d , respectievelijk

Figuur 3 toont de 3D-reconstructiemorfologie van specimens in verschillende verouderingsfasen van de tweede fase, samen met representatieve 1D-concentratieprofielen via de gemarkeerde typische nanodeeltjes in elke toestand. De afbeelding in Fig. 3a vertegenwoordigt de nanodeeltjes in een vroeg stadium van veroudering die bestaan ​​uit G.P. zones. Zoals getoond, kan een relatief kleine hoeveelheid kleine nanodeeltjes worden waargenomen. De concentratie-analyse die wordt weergegeven in figuur 3b geeft aan dat het typische nanodeeltje met een dikte van ~~2,0 nm in samenstelling varieert met een gemiddeld gehalte van ~~13,8 ± 0,1 bij. % Zn, ~ 9.4 ± 2.1 at. % Mg en ~ 75.8 ± 1.7 bij. % Al, en een Zn/Mg-verhouding bij ~ 1,5:1. De hardheidspiek in PAI wordt voornamelijk bijgedragen door G.P. zones [6]. In de reconstructiemorfologie van specimen in PAI (Fig. 3c) kan duidelijk een groot aantal platte nanodeeltjes worden waargenomen. De gemiddelde samenstellingen van het typische nanodeeltje in figuur 3c werden gemeten als ~ 23.6 ± 1.3 at. % Zn, ~ 17,2 ± 0,3 at. % Mg, en ~ 57,5 ± 1.8 at. % Al, wat een gemiddelde Zn/Mg-verhouding geeft van ~-1,4:1, en de dikte stijgt tot ~2,5 nm, zoals aangetoond in figuur 3d. De samenstellingen van bovengenoemde nanodeeltjes in UA- en PAI-toestand zijn beide consistent met het eerdere resultaat over G.P. zone waarvan de Zn/Mg-verhouding tussen 1:1 en 1,5:1 bleek te liggen [9, 10, 12]. Figuur 3e toont de reconstructiemorfologie voor specimen in PAII-staat, waarvan overeenkomstige HRTEM-resultaten aangeven dat de belangrijkste nanodeeltjes de η′-fasen zijn. Het is duidelijk te zien dat de nanodeeltjes de neiging hebben om ellipsoïdaal van vorm te zijn. Ondertussen, vergeleken met G.P. zones werd een massa Al in het typische nanodeeltje vervangen door Zn- en Mg-opgeloste stoffen zoals weergegeven in figuur 3f. In het bijzonder zijn er ongeveer ~ 30,3 ± 3,9 bij. % Zn en ~ 25.7 ± 3.8 at. % Mg samen met ~ 43.4 ± 2.8 at. % Al in het nanodeeltje, en de gemiddelde Zn/Mg-verhouding wordt gemeten bij ~-1,2:1. Zoals weergegeven in figuur 3g, valt het samen met de HRTEM-waarneming dat de meeste typische nanodeeltjes in OA grover worden. In overeenstemming met de hardheidsafname tijdens oververoudering, vertoont de η-fase vrij zwakke versterkende effecten op experimentele legering. In detail bestaat het ~ 6.0-nm dikke typische nanodeeltje voornamelijk uit ~  50.2 ± 2.2 at. % Zn en ~ 30.1 ± 1.1 at. % Mg samen met ~ 17.7 ± 1.9 at. % Al en heeft een Zn/Mg-verhouding van ongeveer ~-1,7:1. Ondertussen ontdekten we dat de equivalente straal (R _eq ) van nanodeeltjes is gerelateerd aan het Al-gehalte. Afbeelding 4 toont de verdeling van R _eq en het overeenkomstige Al-gehalte van nanodeeltjes in verschillende verouderingstoestanden door statistische analyse van meer dan honderd nanodeeltjes. Het kan gemakkelijk worden gevonden dat hoe groter het deeltje, hoe minder Al het bevat. Voor uitleg, evolutie van G.P. zone naar η-fase is een groeiproces waarbij Mg- en Zn-atomen het nanodeeltje binnendringen en daarom Al-atomen afwijzen. Ten eerste vonden we dat het Al-gehalte van nanodeeltjes in OA kan worden onderverdeeld in drie bereiken met de R _eq neemt toe, zoals weergegeven in figuur 4d. In detail, wanneer R _eq groter is dan ~ 5.0 nm, varieert de Al-inhoud van ~ 10.2 tot ~ 36.4 at. %. Een dergelijke samenstelling is vergelijkbaar met de chemische studie van de η-fase gerapporteerd door Maloney [14]. Dienovereenkomstig varieert het van ~ 42.1 tot ~ 48.4 at. % en van ~ 52.4 tot ~ 67,1 at. % wanneer R _eq is respectievelijk tussen ~ 3.0 en ~ 5.0 nm en lager dan ~ 3.0 nm. Interessanter is dat de PAII-conditie in figuur 4c een soortgelijk resultaat laat zien. Daarom verdelen we, door te verwijzen naar de huidige en eerdere APT-resultaten [9, 14], het Al-gehalte in drie bereiken, d.w.z.> ~ 50.0, ~ 40.0 tot ~ 50.0, en <~ 40.0 at. %, en dienovereenkomstig deel R _eq in drie bereiken, d.w.z. <~ 3.0, ~ 3.0 tot ~ 5.0, en>~ 5.0 nm, om de G.P. zones, η′ fasen en η fasen. Ongetwijfeld zijn de nanodeeltjes in UA (Fig. 4a) met ~ -72,5 tot ~ -81,4 bij. % Al zijn volledig G.P. zones. Afb. 4b laat echter zien dat R _eq van nanodeeltjes in de PAI kan ~  4,0 nm bereiken, hoewel het Al-gehalte nog steeds boven ~  50,0 ligt. %. Die relatief grove G.P. zones kunnen de voorlopers zijn van de η′-fase waarvan de grootte de kritische grootte overschrijdt en ze kunnen de coherente relatie met de Al-matrix gedeeltelijk verliezen. Als resultaat kan de relatie tussen de samenstelling van nanodeeltjes en de verouderingstijd worden onthuld. Figuur 5 toont de statistische fractie van nanodeeltjes in verschillende verouderingsfasen. GP zones nemen ~ 85.0 en ~ 22.7% nanodeeltjes op in de eerste en tweede legering met piekveroudering. Naarmate de verouderingstijd toeneemt, neemt de fractie van G.P. zones neemt af en die van η′-fasen stijgt monotoon tot de piekwaarde (~ -54,5%) in PAII en daalt dan, wat direct hun functie als overgangsmedium aantoont. Na T73-verouderingsbehandeling zijn er ~-63,3% η-fasen in de OA en G.P. zones die nog steeds ~-20,0% van de nanodeeltjes innemen. Daarom worden de dubbele hardheidspieken beide bijgedragen door G.P. zones en η′ fasen. GP zones nemen de belangrijkste verhardende nanodeeltjes in de eerste piekverouderde legering op, terwijl de meeste van hen overgaan naar η′-fasen in de tweede piekverouderde legering en dan worden η′-fasen de belangrijkste verhardingsfasen. Verder is afname van hardheid in OA direct gerelateerd aan de vorming van η-fasen die een zwakker verhardingseffect vertonen dan G.P. zones en η′ fasen [7].

Driedimensionale reconstructie van specimens in verschillende staten van veroudering in de tweede fase:a UA, c PAI, e PAII, en g o.a. De samenstellingsprofielen door middel van gemarkeerde typische nanodeeltjes in a , c , e , en g werden gemeten met een geselecteerde cilinder (diameter, 3 nm) met een bewegingsstap van 0,5 nm en weergegeven in b , d , v , en h , respectievelijk

Verdeling van equivalente straal (R _eq ) en het overeenkomstige Al-gehalte (in at.%) van de nanodeeltjes in verschillende verouderingsstadia van de tweede fase:a UA, b PAI, c PAII, en d OA

Statistische fractie van nanodeeltjes in verschillende verouderingsfasen van de tweede fase

Zoals gezegd kan een bepaalde hoeveelheid G.P. zones bestaan ​​nog na voldoende veroudering. Afbeelding 6 toont de typische atoomkaart in OA-toestand, waarin het naast elkaar bestaan ​​van G.P. zone en η-fase kunnen duidelijk worden waargenomen. η fasen zijn geel gemarkeerd, terwijl G.P. zone is in het groen. Interessant is dat regio's gemarkeerd in A en B tussen de G.P. zone- en η-fasen zijn relatief Al-rijk en Mg- en Zn-arm dan andere regio's. Er wordt aangenomen dat nanodeeltjes aan de twee kanten vanaf het begin van de verouderingsbehandeling sneller kunnen groeien dan die ertussen. Als resultaat zijn dergelijke twee relatief grote nanodeeltjes gemakkelijk te vangen wanneer ze Mg- en Zn-atomen in de gemarkeerde A- en B-gebieden omringen en kunnen ze verder transformeren in precipitaten, die de groei van de G.P. zone ertussen. Daarom heeft de G. P. zone groeit vrij langzaam en kan bestaan ​​na voldoende verouderingsbehandeling. Bovendien kan het ook een oplosproces zijn van een dergelijke G.P. zone door Mg- en Zn-atomen over te brengen naar de twee grotere η-fasen in het geval dat deze kleiner is dan de kritische.

Typische 1-nm dikke atoomkaart (50 × 30 nm) die de verdeling van Mg-, Zn- en Al-atomen in OA-toestand toont. Het corresponderende Al-gehalte in nanodeeltjes werd weergegeven als inzet