Microstructurele Stabiliteit van Voor-Gegloeid Elektrodeponeerd Nanokristallijn Nikkel onder Pakwalzen: Een Vergelijkende Studie

Samenvatting

Microstructurele stabiliteit is een cruciale kwestie voor nanokristallijn materiaal om praktisch toepasbaar te zijn in diverse velden. Dit werk toont aan hoe de microstructuur evolueert met walsvervorming in voor-geglode, elektrodeponeerde nanokristallijne nikkel met een initiële sterke vezeltextuur, gebaseerd op röntgendiffractie-lijprofielanalyse en transmissie-elektronenmicroscopie-waarnemingen. De invloed van afschuifvervorming op de microstructurele stabiliteit van het metaal/wal-contactoppervlak wordt vergeleken met die van het metaal/metaal-contactoppervlak; het laatste is nauwer verwant aan vervorming in vlakke druk. Uit de statistische microstructuurinformatie, samen met de experimenteel waargenomen microstructuur van vervormde korrels na de laatste walsdoorlaag, kan geconcludeerd worden dat de microstructuur van het metaal/metaal-contactoppervlak stabieler is tijdens pakwalzen dan die van het metaal/wal-interface.

Inleiding

Nanokristallijne (nc) materialen met een korrelgrootte van minder dan 100 nm vertonen meestal uitstekende mechanische eigenschappen, met name hoge sterkte en hoge hardheid, die kunnen worden benut in een brede scala aan technologische toepassingen [1]. Echter, een groot aantal studies in de laatste jaren heeft aangetoond dat microstructurele stabiliteit een onvermijdelijk en zeer belangrijk probleem is voor nc-materialen wanneer ze praktisch worden gebruikt [2,3,4]. Als een van de meest voorkomende microstructuurkenmerken krijgt korrelgrootte altijd de hoogste prioriteit tijdens de productie en verwerking van nc-materialen. Helaas is gebleken dat duidelijke korrelgroe kan optreden bij thermische behandeling of mechanische verwerking van nc-materialen [5,6,7,8,9]. Volgend de klassieke Hall-Petch-relatie voor materialen in een korrelgroottebereik van ~20 tot verschillende honderden micrometers, zal korrelgroe leiden tot prestatievermindering of -achteruitgang. Door experimentele onderzoeken naar de relatie tussen microstructuur en eigenschappen van nc-metalen is een grote hoeveelheid microstructuurinformatie verkregen via hoge-resolutie transmissie-elektronenmicroscopie en/of driedimensionale atoomsonden [10,11,12,13]. Deze resultaten lijken direct en zichtbaar, maar worden onvermijdelijk in twijfel getrokken omdat dergelijke lokale observatie te microscopisch is. Het is dus noodzakelijk en belangrijk om de fysica van plastische vervorming te begrijpen vanuit een meer macro- of overzichtelijk perspectief.

Resultaten uit de vergelijking van microstructuurontwikkeling in vervormde nc-materialen hebben getoond dat korrelgroegedrag wordt beïnvloed door initiële microstructuren zoals korreloriëntatie, interne spanning en kristaldefectdichtheid [6, 14,15,16]. Daardoor is het moeilijk om resultaten van microstructuurevolutie uit andere literatuur te vergelijken. Er worden twee of meer monsters verwacht die gelijktijdig vervormen onder nominieel dezelfde vervormingscondities. Het is opmerkelijk dat accumulatief rolbonden een van de krachtige technieken is om ultra-fijne korrelmicrostructuren te produceren door grote vervorming en vervormingsgradienten te introduceren [17, 18]. Pakwalzen is gekozen als de vervormingsverwerkingsroute in onze eerdere studie. Effecten van pakwalsvervorming op de microstructuur, textuur en hardheid van nc Ni zijn primair verkend [19, 20]. Er is onthuld dat vervormde zones met verschillende korrelgroottes verschillende vervormingen ondergaan. Toch wordt weinig aandacht besteed aan diepgaande vergelijkende analyse van microstructuurevolutie, zoals veranderingen in kristaldefectdichtheid. Daarom is het doel van de huidige studie om de microstructurele stabiliteit van pakgewalste nc Ni verder te onderzoeken.

Materiaal en Methodes

Het volledig dichte, elektrodeponeerde nc-nikkelblad met een zuiverheid van 99,8% is geselecteerd als onderzoeks materiaal. Voor de walsvervorming werd het as-ontvangen blad met een dikte van ~0,22 mm eerst gegloeid in vacuüm bij 373 K gedurende 30 min om de residuele spanning te verlichten. Geen bewijs van duidelijke korrelgroe werd gevonden. Vervolgens werd het voor-geglode blad in kleine stukjes gesneden met afmetingen van 6 mm × 5 mm. Twee monsterstukken met nominieel vergelijkbare initiële microstructuur, geselecteerd door röntgendiffractie (XRD) analyse, werden opgestapeld en gingen door een paar rollen met een diameter van 180 mm bij kamertemperatuur. Na elke walsdoorlaag bleken de twee vervormde monsters bijna dezelfde diktereductie te hebben. Tijdens dergelijke pakwalprocessen werd de nominiele walsvervorming van elk monster bepaald door ε = 2ln(t₀/t)/√3, waarbij t₀ en t de initiële en einddikte zijn [21]. In dit verband richtten we ons met name op de microstructuurevolutie van het metaal/metaal-contactoppervlak en het metaal/wal-contactoppervlak. Voor het gemak werd het metaal/metaal-contactoppervlak aangeduid als interface M/M, en het metaal/wal-contactoppervlak als interface M/R.

De door vervorming geïnduceerde microstructuurveranderingen werden kwantitatief onderzocht door XRD-analyse op een Rigaku D/MAX-2500 PC diffractometer met een rotierende Cu-doel (18 kW), werkend in de vastetijd-scanmodus. Gerelateerde microstructuurparameters zoals korrelgrootte en microvervorming werden verkregen via röntgendiffractie-lijprofielanalyse [22, 23]. Om de XRD-resultaten te verifiëren, werd transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) gebruikt om een intuïtieve evaluatie te maken van de eindmicrostructuur van het normaalrichting-walsrichtingsdoorsnede, met name de korrelgrootteverdeling. Foliemonsters voor TEM werden voorbereid door dubbele-jet elektropolijsten in een oplossing van methanol en salpeterzuur (V:V = 4:1) bij een temperatuur van 243 K. TEM-observatie werd uitgevoerd op een ZEISS LIBRA 200FE bij 200 kV versnellingsspanning. Korrelmorfologie werd waargenomen in helder-veldbeeldvorming. Korrelgrootte-metingen werden uitgevoerd met donker-veldbeeldvorming. Voor elk monster werden meer dan 200 korrels gemeten om de algehele evolutie van de korrelgrootteverdeling vast te leggen. Verder, rekening houdend met de beperkte afmetingen van de kleine monsters, werd microhardheidsmeting uitgevoerd aan beide kanten van de monsters na elke walsdoorlaag, met een HVS-1000 micro Vickers-hardheidstester met een belasting van 0,196 N.

Resultaten en Discussie

Afbeelding 1 toont typische XRD-patronen voor de interfaces M/R en M/M van de pakgewalste nc Ni-monsters met verschillende walsvervormingen. Voor de as-geglode, onvervormde monsters (ε = 0) is er geen opvallend verschil in diffractie-intensiteit tussen interface M/R en M/M. Verdere analyse op textuurcoëfficiënt wijst erop dat de onvervormde monsters een initiële sterke vezeltextuur hebben. Zoals verwacht vertonen de diffractie-intensiteiten, met name voor de (111) en (200) pieken, na verschillende pakwalsdoorlagen (ε = 0,25 en ε = 0,50) heel verschillende textuurevoluties. Volgens eerdere onderzoeken betreffende vervormingstextuurontwikkeling, wordt interface M/R gedomineerd door afschuifvervorming, terwijl interface M/M dichter bij vervorming in vlakke druk ligt [24,25,26]. Kwantitatieve analyse op de genormaliseerde resultaten van de (111) en (200) pieken bewijst dat er een zekere discrepantie bestaat tussen interface M/R en interface M/M. In het geval van interface M/R zijn de diffractiepieken significant vernauwd, wat voornamelijk te wijten is aan door vervorming geïnduceerde korrelgroe. In het geval van interface M/M worden duidelijke piekverruiming en piekverschuiving waargenomen, wat aangeeft dat een grote hoeveelheid kristaldefecten zoals dislocaties en stapelfouten zijn geproduceerd tijdens het walsproces.

Afbeelding 2 toont de semi-kwantitatieve resultaten van nc Na na elke walsdoorlaag, bepaald door röntgendiffractie-lijprofielanalyse. De algehele stapelfoutkans (SFP), geëvalueerd door piekverschuiving, wordt getoond in Fig. 2a. Voor interface M/M vertoont de algehele SFP een relatief stabiele opwaartse trend met toenemende vervorming. Voor interface M/R daarentegen toont de SFP een scherpe toename in het vroege stadium van de walsvervorming, bereikt een maximumwaarde van 0,015 bij een kleine vervorming van ~0,1. Vervolgens daalt deze SFP bij voortgaande vervorming en bereikt een waarde van 0,006 bij een vervorming van 0,5, wat slechts een derde is vergeleken met de SFP van interface M/M. Gezien het generatiemechanisme van stapelfouten in NC-metalen, duidt deze discrepantie erop dat de microstructuur van de verschillende interfaces verschillende evolutieroutes doorloopt.

Afbeelding 2b toont de variatie van de integrale breedtes voor de (111) en (200) pieken. Het is te zien dat de integrale breedtes van de twee diffractiepieken van interface M/M significant hoger zijn dan die van interface M/R gedurende het hele pakwalproces. Met name is opvallend dat er geen grote verandering is in de integrale breedte van interface M/M, bij vergelijking van de eindvervormde toestand met de as-geglode toestand. In het licht hiervan worden de evoluties van korrelgrootte en root-mean-square (r.m.s.) microvervorming zorgvuldig bestudeerd vanuit de XRD-lijprofielanalyse. Zoals te zien is in Fig. 2c, tonen twee interfaces van de vervormde monsters een neiging tot korrelvergroting, maar met verschillende vergrotingsnelheden. De gemiddelde grootte van korrels gelegen op interface M/R neemt sneller toe, wat wordt bevestigd door de volgende TEM-observatie. Aan de andere kant geeft microvervormingsanalyse aan dat er een kleine toename is in r.m.s. microvervorming voor beide interfaces tijdens het vroege stadium van de walsvervorming, geïllustreerd in Fig. 2d. Met de voortgang van de vervorming begint de r.m.s. microvervorming binnen interface M/R stabiel af te nemen en bereikt stabiliteit op een niveau van ~0,19%, terwijl de r.m.s. microvervorming binnen interface M/M neigt naar stabiliteit op een niveau van ~0,26%. Een dergelijke reductie in r.m.s. microvervorming is consistent met eerdere rapporten over koudgewalste elektrodeponeerde NC Ni-Fe legering na grote vervorming. In combinatie met korrelgrootteevolutie, zou de hoofdoorzaak voor de afname van r.m.s. microvervorming geassocieerd kunnen zijn met korrelcoalescentie en -vergroting [27,28,29].

Afbeelding 3 toont typische TEM-resultaten van de interfaces M/M en M/R. Het is duidelijk onthuld dat de korrels gelegen op interface M/R inderdaad groter zijn dan die op interface M/M na vervorming. Verdere analyse op korrelgrootteverdeling toont aan dat een groot aandeel (meer dan 75%) van de korrels een diameter kleiner dan 40 nm heeft in het onvervormde monster. Na ε = 0,50 walsvervorming daalt het aandeel kleine korrels (onder 40 nm) duidelijk in interface M/R. In plaats daarvan neemt het aandeel grote korrels (boven 50 nm) toe. Gebaseerd op eerdere studies over dislocatieactiviteiten in vervormde korrels, zouden volledige dislocaties geleidelijk gaan domineren de vervorming van grote korrels [30,31,32,33]. Dus is het niet moeilijk te begrijpen dat de SFP van interface M/M veel hoger is dan die van interface M/R.

Om de microstructuurevolutie te correleren met de mechanische respons, wordt de microhardheidsvariatie van de interfaces M/M en M/R getoond in Fig. 4. Er is geen duidelijke dispariteit tussen de twee interfaces in het vroege stadium van de vervorming. Naarmate de vervorming toeneemt, neemt de microhardheid van interface M/M continu toe, maar de microhardheid van interface M/R lijkt af te nemen. Anderzijds, vergeleken met de korrelgrootte en microhardheid van monsters in as-geglode toestand, treedt vervormingsgeïnduceerde verharding op bij zowel interfaces M/M als M/R, ondanks de aanwezigheid van korrelvergroting. Volgens de klassieke Hall-Petch-relatie zal de microhardheid afnemen met toenemende korrelgrootte. Daarom worden voor de as-vervormde monsters de Bailey-Hirsch-relatie overwogen [34, 35]. De microhardheid versus de vierkantswortel van de dislocatiedichtheid wordt verkend. Het is geen verrassing om een afwijking van Bailey-Hirsch-gedrag te vinden. In het late stadium van de vervorming is de resterende dislocatiedichtheid, bepaald door de r.m.s. microvervorming, enigszins lager dan de as-geglode toestand voor interface M/R, maar de corresponderende microhardheid is enigszins hoger. Hier, op basis van de verkregen microstructuurinformatie die overeenkomt met een macroscopisch gebied, is een poging gedaan om de bijdragen van twee veelvoorkomende microstructuurfactoren, namelijk dislocatiedichtheid en korrelgrootte, aan de microhardheid te verkennen. Door de gerapporteerde waarden of berekende waarden voor nc Ni te nemen [36,37,38], worden de geschatte waarden van microhardheid ook in Fig. 4 weergegeven. Over het algemeen is de geschatte waarde van interface M/M hoger dan die van interface M/R, wat indirect aangeeft dat de statistische XRD-resultaten van microstructuurevolutie betrouwbaar zijn. Verder, met uitgebreide vergelijking en analyse op het verschil tussen de geschatte waarden en gemeten waarden, wordt geconcludeerd dat er een ander versterkingsmechanisme binnen de vervormde nc-monsters moet zijn, zoals dislocatie-dislocatie-interacties [37]. Met name voor interface M/R, zouden dislocatie-dislocatie-interacties binnen grote korrels aanwezig kunnen zijn, wat helpt de mate van werkverharding te vergroten.

Conclusie

In dit werk werd de microstructurele stabiliteit van nanokristallijne nikkel tijdens pakwalsvervorming kwantitatief onderzocht op basis van röntgendiffractie-lijprofielanalyse. De betrouwbaarheid van enkele relevante resultaten werd gevalideerd door transmissie-elektronenmicroscopie-observatie en microhardheidsmeting. Het verschil in microstructuurontwikkeling tussen het metaal/metaal-contactoppervlak en het metaal/wal-contactoppervlak was van bijzondere zorg. De resultaten toonden aan dat de microstructuren van de twee interfaces verschillende evolutieroutes doorliepen vanwege verschillende opgelegde vervormingen. Uit de statistische microstructuurinformatie zoals kristaldefectdichtheid en korrelgrootte kan geconcludeerd worden dat de microstructuur van het metaal/metaal-contactoppervlak stabieler was tijdens pakwalzen dan die van het metaal/wal-interface.

Afkortingen

M/M:

Metaal/metaal

M/R:

Metaal/wal

nc:

Nanokristallijn

r.m.s.:

Root-mean-square (wortel-gemiddelde-kwadraat)

SFP:

Stapelfoutkans

TEM:

Transmissie-elektronenmicroscopie

XRD:

Röntgendiffractie