Vergelijkend onderzoek naar microstructurele stabiliteit van voorgegloeid, elektrolytisch neergeslagen nanokristallijn nikkel tijdens het rollen van de verpakking

Abstract

Microstructurele stabiliteit is een belangrijk punt voor nanokristallijne materialen die praktisch op veel gebieden kunnen worden gebruikt. Het huidige werk laat zien hoe de microstructuur evolueert met rollende spanning in voorgegloeid elektrolytisch afgezet nanokristallijn nikkel dat een aanvankelijke sterke vezeltextuur bevat, op basis van röntgendiffractielijnprofielanalyse en transmissie-elektronenmicroscopie-observatie. De invloed van schuifspanning op de microstructurele stabiliteit van het metaal/rol-contactinterface wordt vergeleken met die van het metaal/metaal-contactinterface; de laatste zou dichter bij vervorming in vlakrekcompressie zijn. Op basis van de statistische microstructurele informatie, samen met de experimenteel waargenomen microstructuur van vervormde korrels na de laatste rolgang, lijkt het redelijk om te concluderen dat de microstructuur van het metaal/metaal-contactoppervlak stabieler is tijdens het rollen van de verpakking dan die van het metaal/rol-interface.

Inleiding

Nanokristallijne (nc) materialen met een korrelgrootte van minder dan 100 nm vertonen meestal uitstekende mechanische eigenschappen, met name een hoge sterkte en hoge hardheid die kunnen worden benut in een breed scala aan technologische toepassingen [1]. Een groot aantal onderzoeken van de afgelopen jaren hebben echter aangetoond dat microstructurele stabiliteit een onvermijdelijk en zeer belangrijk punt is voor nc-materialen wanneer ze praktisch worden gebruikt [2,3,4]. Als een van de meest voorkomende microstructurele kenmerken krijgt korrelgrootte altijd de eerste prioriteit tijdens de productie en verwerking van nc-materialen. Helaas is gebleken dat duidelijke korrelgroei kan optreden bij thermische behandeling of mechanische verwerking van nc-materialen [5,6,7,8,9]. Volgens de klassieke Hall-Petch-relatie voor materialen met een korrelgrootte van ~-20 tot enkele honderden micrometers, zal korrelgroei leiden tot prestatievermindering of verslechtering. Tijdens experimenteel onderzoek naar de relatie tussen microstructuur en eigenschappen van nc-metalen, werd een grote hoeveelheid microstructurele informatie verkregen door transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie en/of driedimensionale atoomsonde [10,11,12,13]. Deze resultaten lijken direct en zichtbaar te zijn, maar het wordt onvermijdelijk in twijfel getrokken vanwege het feit dat dergelijke lokale waarneming te microkosmisch is. Daarom is het noodzakelijk en belangrijk om de fysica van plastische vervorming te begrijpen vanuit een meer macro- of algemeen perspectief.

Resultaten van vergelijking van microstructuurontwikkeling in vervormde nc-materialen hebben aangetoond dat het korrelgroeigedrag werd beïnvloed door initiële microstructuren zoals korreloriëntatie, interne spanning en kristaldefectdichtheid [6, 14,15,16]. Het is dus moeilijk om de resultaten van microstructuurevolutie uit andere literatuur te vergelijken. Van twee of meer monsters wordt verwacht dat ze gelijktijdig vervormen onder nominaal dezelfde vervormingsconditie. Merk op dat accumulatieve rolbinding een van de krachtige technieken is om microstructuren met ultrafijne korrels te produceren door een grote spanning en spanningsgradiënt te introduceren [17, 18]. In onze vorige studie is het rollen van pakjes gekozen als de route voor het verwerken van vervormingen. Effecten van vervorming tijdens het rollen op de microstructuur, textuur en hardheid van nc Ni zijn voornamelijk onderzocht [19, 20]. Het is gebleken dat vervormde zones met verschillende korrelgroottes verschillende spanningen ondergaan. Maar desalniettemin wordt er weinig aandacht besteed aan diepgaande vergelijkende analyse van microstructurele evolutie, zoals de veranderingen in de dichtheid van kristaldefecten. Daarom heeft de huidige studie tot doel de microstructurele stabiliteit van opgerold nc Ni verder te onderzoeken.

Materiaal en methoden

De volledig dichte elektrolytisch afgezette nc-nikkelplaat met een zuiverheid van 99,8% werd geselecteerd als het huidige onderzoeksmateriaal. Voorafgaand aan de walsvervorming werd de zoals ontvangen plaat met een dikte van ~ 0,22 mm eerst gedurende 30 minuten in vacuüm gegloeid bij 373 K om de restspanning te verlichten. Er werden geen aanwijzingen gevonden voor duidelijke korrelgroei. Vervolgens werd de voorgegloeide plaat in kleine stukjes gesneden met afmetingen van 6 mm × 5 mm. Twee stukken monsters met nominaal vergelijkbare initiële microstructuur, geselecteerd door röntgendiffractie (XRD) analyse, werden op elkaar gestapeld en gingen vervolgens door een paar rollen met een diameter van 180 mm bij kamertemperatuur. Na elke walsgang bleek dat de twee vervormde monsters bijna dezelfde diktevermindering hadden. Tijdens dergelijke rolprocessen werd de nominale rolbelasting van elk monster bepaald door ε = \( 2\ln \left({t}_0/t\right)/\sqrt{3} \), waarbij t ₀ en t zijn respectievelijk initiële dikte en uiteindelijke dikte [21]. In dit opzicht hebben we ons in het bijzonder gericht op de evolutie van de microstructuur van de metaal/metaal-contactinterface en de metaal/rol-contactinterface. Voor het gemak werd de metaal/metaal-contactinterface aangeduid als interface M/M, en de metaal/rolcontactinterface werd aangeduid als interface M/R.

De door vervorming geïnduceerde microstructurele veranderingen werden kwantitatief onderzocht door middel van XRD-analyse op een Rigaku D/MAX-2500 PC-diffractometer met een roterend Cu-doel (18KW), werkend in de scanmodus met vaste tijd. Gerelateerde microstructurele parameters zoals korrelgrootte en microstrain werden verkregen door middel van röntgendiffractielijnprofielanalyse [22, 23]. Om de resultaten van XRD te verifiëren, werd transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) gebruikt om een intuïtieve evaluatie te maken van de uiteindelijke microstructuur van de sectie in de normale richting-rolrichting, met name de korrelgrootteverdeling. Foliemonsters voor TEM werden bereid door elektrolytisch polijsten met dubbele straal in een oplossing van methanol en salpeterzuur (V :V = 4:1) bij een temperatuur van 243 K. TEM-waarneming werd uitgevoerd op ZEISS LIBRA 200FE bij 200 kV versnellingsspanning. Korrelmorfologie werd waargenomen in helderveldbeeldvorming. Korrelgroottemetingen werden dienovereenkomstig uitgevoerd met behulp van donkere veldbeeldvorming. Voor elk monster werden meer dan 200 korrels gemeten om de algemene evolutie van de korrelgrootteverdeling vast te leggen. Bovendien, gezien de beperkte afmetingen van kleine monsters, werd de microhardheidsmeting uitgevoerd aan beide zijden van de monsters na elke rolgang, met behulp van een HVS-1000 micro Vickers-hardheidstester met een belasting van 0,196 N.

Resultaten en discussies

Figuur 1 toont typische XRD-patronen voor de interfaces M/R en M/M van de opgerolde nc Ni-monsters met verschillende rollende spanningen. Voor de als-uitgegloeide onvervormde monsters (ε = 0), is er geen opmerkelijk verschil in diffractie-intensiteit tussen interface M/R en M/M. Verdere analyse van de textuurcoëfficiënt geeft aan dat de onvervormde monsters een aanvankelijke sterke vezeltextuur hebben. Zoals verwacht, vertonen de diffractie-intensiteiten, vooral voor de (111) en (200) pieken, heel verschillende textuurevoluties na verschillende passages van vervorming tijdens het rollen (ε = 0,25 en ε = 0,50). Volgens het eerdere onderzoek met betrekking tot de ontwikkeling van vervormingstextuur, wordt het grensvlak M/R gedomineerd door afschuifvervorming, terwijl het grensvlak M/M dichter bij deformatie ligt in vlakrekcompressie [24,25,26]. Kwantitatieve analyse van de genormaliseerde resultaten van de (111) en (200) pieken bewijst dat er een zekere discrepantie is tussen grensvlak M/R en grensvlak M/M. In het geval van het grensvlak M/R zijn de diffractiepieken aanzienlijk versmald, wat voornamelijk te wijten is aan de korrelgroei die wordt veroorzaakt door vervorming. In het geval van het grensvlak M/M worden echter duidelijke piekverbreding en piekverschuiving waargenomen, wat aangeeft dat er tijdens het walsproces veel kristaldefecten zijn ontstaan, zoals dislocaties en stapelfouten.

Typische XRD-patronen van a de metaal/rol (M/R) contactinterface en b de metaal/metaal (M/M) contactinterface tijdens de pack-rolling vervorming van voorgegloeid elektrolytisch gedeponeerd nanokristallijn nikkel. Genormaliseerde pieken van (111) en (200) reflectievlakken worden weergegeven in de rechterbovenhoek

Figuur 2 toont de semi-kwantitatieve resultaten van nc Ni na elke rolbeweging, bepaald door de analyse van het röntgendiffractielijnprofiel. De algehele stapelfoutwaarschijnlijkheid (SFP), geëvalueerd door piekverschuiving, wordt getoond in figuur 2a. Voor de interface M/M vertoont de algehele SFP een relatief stabiele uptrend-ontwikkeling met toenemende belasting. Voor de interface M/R vertoont de SFP echter een sterke toename tijdens het vroege stadium van rolvervorming, waarbij een maximale waarde van 0,015 wordt bereikt bij een kleine spanning van ~ -0,1. Vervolgens neemt deze SFP af met continue vervorming en krijgt een waarde van 0,006 bij een rek van 0,5, wat slechts een derde is in vergelijking met de SFP van de interface M/M. Gezien het generatiemechanisme van stapelfouten in NC-metalen, geeft een dergelijke discrepantie aan dat de microstructuur van verschillende interfaces verschillende evolutieroutes zou moeten ondergaan.

Kwantitatieve resultaten van a kans op stapelfouten, b integrale breedten voor de (111) en (200) pieken, c korrelgrootte, en d rms microstrain verkregen door analyse van profielen van röntgendiffractielijnen

Figuur 2b toont de variatie van integrale breedten voor de (111) en (200) pieken. Het kan worden gezien dat de integrale breedten van de twee diffractiepieken van het grensvlak M/M significant hoger zijn dan die van het grensvlak M/R tijdens het gehele vervormingsproces van het rollende pak. In het bijzonder is het opmerkelijk dat er geen grote verandering is geweest in de integrale breedte van het grensvlak M/M, wanneer de uiteindelijke vervormde toestand wordt vergeleken met de ontharde toestand. In het licht hiervan worden de evoluties van korrelgrootte en root-mean-square (r.m.s.) microstrain zorgvuldig bestudeerd vanuit de XRD-lijnprofielanalyse. Zoals te zien is in figuur 2c, vertonen twee grensvlakken van de vervormde monsters een neiging tot korrelvergroving, maar met verschillende vergrovingssnelheden. De gemiddelde grootte van korrels op het grensvlak M/R neemt sneller toe, wat wordt bewezen door de volgende TEM-waarneming. Aan de andere kant geeft microstrain-analyse aan dat er een kleine toename is in r.m.s. microstrain voor beide interfaces tijdens het vroege stadium van rolvervorming, zoals geïllustreerd in figuur 2d. Met het voortduren van de vervorming wordt de r.m.s. microspanning binnen het grensvlak M/R begint gestaag af te nemen en bereikt een stabiliteit op een niveau van ~-0,19%, terwijl de rms. microstrain binnen de interface M/M neigt naar stabiliteit op een niveau van ~~0,26%. Een dergelijke verlaging van de r.m.s. microstrain komt overeen met eerdere rapporten over de koudgewalste elektrolytisch gedeponeerde NC Ni-Fe-legering na grote vervorming. In combinatie met de evolutie van de korrelgrootte is de belangrijkste reden voor de daling van de r.m.s. microstam zou worden geassocieerd met de samensmelting en verruwing van de korrel [27,28,29].

Afbeelding 3 toont typische TEM-resultaten van de interfaces M/M en M/R. Het is duidelijk gebleken dat de korrels die zich op het grensvlak M/R bevinden inderdaad groter zijn dan die op het grensvlak M/M na vervorming. Nadere analyse van de korrelgrootteverdeling laat zien dat een groot deel (meer dan 75%) van de korrels een diameter van minder dan 40 nm heeft in het onvervormde monster. Na ε = 0,50 rolvervorming, het aandeel kleine korrels (onder 40 nm) daalt duidelijk in het grensvlak M/R. In plaats daarvan neemt het aandeel grote korrels (boven 50 nm) toe. Op basis van eerdere onderzoeken naar dislocatieactiviteiten in vervormde korrels, zouden volledige dislocaties geleidelijk de vervorming van grote korrels gaan domineren [30,31,32,33]. Het is dus niet moeilijk om te begrijpen dat de SFP van de interface M/M veel hoger is dan die van de interface M/R.

Typische TEM-afbeeldingen van a de metaal/metaal (M/M) contactinterface en b de metaal/rol (M/R) contactinterface na de laatste rollende pas. De korrelgrootteverdeling voor en na vervorming wordt weergegeven in c

Om de evolutie van de microstructuur te correleren met mechanische respons, wordt de variatie in microhardheid van de interfaces M/M en M/R getoond in figuur 4. Er is geen duidelijke ongelijkheid tussen de twee interfaces in het vroege stadium van vervorming. Naarmate de rek toeneemt, neemt de microhardheid van het grensvlak M/M continu toe, maar de microhardheid van het grensvlak M/R lijkt af te nemen. Aan de andere kant, vergeleken met de korrelgrootte en microhardheid van monsters in ontharde toestand, treedt vervorming-geïnduceerde rekverharding op bij de grensvlakken M/M en M/R, ondanks de aanwezigheid van korrelvergroving. Volgens de klassieke Hall-Petch-relatie zal de microhardheid afnemen met toenemende korrelgrootte. Vervolgens wordt voor de as-vervormde monsters de Bailey-Hirsch-relatie beschouwd [34, 35]. De microhardheid versus de vierkantswortel van dislocatiedichtheid wordt onderzocht. Het is geen verrassing om een afwijking van het gedrag van Bailey-Hirsch te vinden. In het late stadium van vervorming wordt de resterende dislocatiedichtheid, bepaald door de r.m.s. microstrain, is iets lager dan de gegloeide toestand voor het grensvlak M/R, maar de corresponderende microhardheid is iets hoger. Hierin is het, op basis van de verkregen microstructurele informatie die overeenkomt met een macroscopisch gebied, een proef om de bijdragen van twee algemene microstructurele factoren, namelijk dislocatiedichtheid en korrelgrootte, aan de microhardheid te onderzoeken. Als we de gerapporteerde waarden of berekende waarden voor nc Ni [36,37,38] nemen, worden de geschatte waarden van microhardheid ook weergegeven in Fig. 4. Als geheel zijn de geschatte waarden van de interface M/M hoger dan die van de interface M/R, wat indirect aangeeft dat de statistische XRD-resultaten van microstructurele evolutie geloofwaardig zijn. Bovendien, met uitgebreide vergelijking en analyse van de kloof tussen de geschatte waarden en gemeten waarden, wordt geconcludeerd dat er een ander versterkend mechanisme zou moeten zijn in de vervormde nc-monsters, zoals dislocatie-dislocatie-interacties [37]. Vooral voor de interface M/R kunnen dislocatie-dislocatie-interacties aanwezig zijn binnen grote korrels, waardoor de mate van verharding van het werk wordt verbeterd.

Experimentele meting en geschatte voorspelling van microhardheidsevolutie tijdens het rollen van voorgegloeid nanokristallijn nikkel. De geschatte waarden van microhardheid worden alleen bepaald door de korrelgrootte en dislocatiedichtheid op basis van de Hall-Petch-relatie en de Bailey-Hirsch-relatie

Conclusie

In dit werk werd de microstructurele stabiliteit van nanokristallijn nikkel tijdens vervorming tijdens het rollen van het pak kwantitatief onderzocht op basis van röntgendiffractielijnprofielanalyse. De betrouwbaarheid van enkele relevante resultaten werd gevalideerd door transmissie-elektronenmicroscopie-observatie en microhardheidsmeting. De discrepantie in de microstructurele ontwikkeling tussen de metaal/metaal-contactinterface en de metaal/rol-contactinterface was van bijzonder belang. De resultaten toonden aan dat de microstructuren van de twee interfaces verschillende evolutieroutes ondergingen vanwege verschillende opgelegde stammen. Uit de statistische microstructurele informatie zoals kristaldefectdichtheid en korrelgrootte, kan worden geconcludeerd dat de microstructuur van het metaal/metaal-contactinterface stabieler was tijdens het rollen van de verpakking dan die van het metaal/rol-interface.

Afkortingen

M/M:: Metaal/metaal
M/R:: Metaal/rol
nc:: Nanokristallijn
r.m.s.:: Wortel-gemiddelde-kwadraat
SFP:: Stapelfoutwaarschijnlijkheid
TEM:: Transmissie-elektronenmicroscopie
XRD:: Röntgendiffractie

Hoog-efficiënte plasmonische derde-harmonische generatie met grafeen op een siliciumdiffractief rooster in het midden-infraroodgebied Een gemakkelijke eenpotsynthese van biomimetische fotokatalysator Zn(II)-porfyrine-gevoelige 3D TiO2-holle nanoboxen en synergetisch verbeterde degradatie van zichtbaar licht

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal