Efek Annealing pada Mikrostruktur dan Pengerasan Paduan Vanadium yang Diimplan Helium-Hidrogen Secara Berurutan

Hasil dan Diskusi

Pengamatan Mikrostruktur

Gambar medan terang TEM dan HRTEM dari paduan V-4Cr-4Ti yang diiradiasi ditunjukkan pada Gambar 1. Setelah penyinaran ion He dan H di RT, sejumlah besar cacat muncul seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a. Cacat ini termasuk kelompok kekosongan dan atom interstitial. Umumnya keduanya diproduksi dengan jumlah yang sama selama penyinaran. Cacat ini terdistribusi secara merata dan tidak dibedakan satu per satu untuk dimensi yang kecil. Gambar 1b menunjukkan gambar resolusi tinggi untuk paduan V-4Cr-4Ti setelah iradiasi He dan H di RT. Ada beberapa lipatan atau putusnya pinggiran kisi (panah putih). Ini karena kontras pinggiran sensitif terhadap cacat. Oleh karena itu, citra pinggiran kisi menunjukkan kelainan selama penyinaran.

Gambar paduan V-4Cr-4Ti setelah penyinaran ion He+H secara berurutan di RT. a Gambar bidang terang TEM dari cacat. b Gambar cacat HRTEM

Dari Gambar. 1, tidak ada gelembung yang terlihat pada ion He dan H yang diiradiasi di RT. Nukleasi gelembung tergantung terutama pada difusi helium dan suhu. Difusi helium merupakan persyaratan dasar untuk nukleasi gelembung dan pertumbuhan [3]. Pada ion He yang diradiasi, terbentuk kompleks kekosongan He (He-V) karena energi ikat yang tinggi antara atom He dan kekosongan [15], dan sejumlah kecil gugus He. Namun, mobilitas kompleks He-V dan kluster He terbatas atau bahkan dapat diabaikan di RT yang menyebabkan penekanan nukleasi gelembung. Ion hidrogen terus menghasilkan kekosongan dan interstisial. Menurut simulasi, pengikatan helium ke kluster selalu jauh lebih kuat daripada ikatan hidrogen [16]. Akibatnya, kekosongan yang baru diproduksi yang disebabkan oleh iradiasi H terperangkap oleh kompleks He-V atau kluster He. Hidrogen mungkin terperangkap oleh kluster He-V, atau kluster He atau biji gelembung helium yang sangat kecil untuk membantu nukleasi gelembung [17].

Gambar 2 menunjukkan gambar paduan V-4Cr-4Ti yang diimplan ion He dan H setelah anil pada 450 °C selama 10 jam. Gambar 2a menunjukkan loop dislokasi di bawah fokus, sedangkan Gambar 2b menunjukkan sejumlah besar gelembung di atas fokus. In situ TEM Dia ⁺ implantasi dan anil pada besi nanokristalin di RT juga menemukan dua jenis kerusakan radiasi yang terlihat:cluster interstitial dan gelembung [18]. Keduanya akan meningkatkan pengerasan iradiasi bahan. Loop dislokasi kecil yang berukuran 4 nm juga diamati pada Gambar. 2. Ukuran dan jumlah kepadatan gelembung kira-kira 9 nm dan 1,5 × 10 ¹¹ cm ⁻² , masing-masing. Jika ion H yang ditanamkan hanya untuk tungsten pada suhu tinggi, gelembung hidrogen ukuran kecil muncul. Tapi gelembung dalam penelitian ini seharusnya gelembung helium dengan sedikit hidrogen. Atom He menempati kekosongan, dan hidrogen terperangkap oleh kompleks He-V, sehingga keberadaan He menekan pembentukan gelembung hidrogen [19].

Loop dislokasi dan gelembung paduan V-4Cr-4Ti setelah perlakuan anil pasca-iradiasi pada 450 °C selama 10 jam. a Loop dislokasi. b Gelembung bidang terang. c , d , e Gelembung gambar resolusi tinggi

Setelah iradiasi, kandungan He dan H konstan. Dengan meningkatnya suhu, mobilitas kompleks He-V meningkat dan menginduksi pembentukan gelembung. Sebenarnya, nukleasi gelembung terjadi oleh difusi dan pengelompokan bersamaan atom He, atom H, kekosongan (dan interstisial) yang mewakili proses nukleasi yang rumit. Namun, struktur mikro sampel anil yang diiradiasi didominasi oleh tidak hanya gelembung tetapi juga loop/jaring dislokasi [20]. Sifat loop dislokasi mungkin tipe interstisial atau kekosongan. Iradiasi ion ringan seperti helium dan hidrogen pada suhu yang lebih rendah menghasilkan loop interstisial [21]. Pengantara gratis bermigrasi lebih cepat daripada kekosongan yang terlibat dalam pembentukan loop dislokasi yang kuat. Jadi, dalam penelitian ini, jenis loop dislokasi adalah interstisial.

Dengan meningkatnya suhu atau waktu penahanan, loop dislokasi dan gelembung yang tumbuh dan cenderung kasar ditunjukkan pada Gambar. 3, yang berarti bahwa ukuran rata-rata meningkat sementara densitas menurun seiring waktu. Struktur mikronya hidup berdampingan dengan loop dan gelembung dislokasi tipe interstisial besar. Ukuran rata-rata dan kerapatan jumlah loop dislokasi adalah 18 nm dan 7,5 × 10 ¹⁰ cm ⁻² , masing-masing. Ukuran rata-rata dan jumlah kepadatan gelembung adalah 11 nm dan 2,1 × 10 ¹¹ cm ⁻² .

Struktur mikro paduan V-4Cr-4Ti setelah perlakuan annealing pasca-iradiasi pada 450 °C selama 20 jam. a Loop dislokasi medan terang. b , c Gelembung bidang terang. d , e Gelembung gambar resolusi tinggi

Selama waktu penahanan yang berkelanjutan, semakin banyak He, H, kekosongan, dan interstisial kecil masuk ke dalam gelembung. Gelembung memiliki tekanan yang lebih tinggi dan volume yang lebih besar. Akhirnya, gelembung bertekanan berlebih yang dekat dengan batas daerah tipis pecah terlebih dahulu dan terkelupas menjadi kawah (Gbr. 3b) [22]. Sementara itu, kekosongan dan interstisial dimusnahkan oleh semua jenis sink seperti gelembung, loop, batas butir, dan permukaan.

Pengkasaran gelembung dijelaskan oleh mekanisme pematangan Ostwald yang disebabkan oleh resolusi yang diaktifkan secara termal dari kecil dan reabsorpsi atom He dan H oleh gelembung besar [10, 23]. Selain itu, tekanan meningkat karena semakin banyak He dan H yang masuk ke dalam gelembung. Sebagian besar atom hidrogen terperangkap oleh gelembung helium. Selama proses tersebut, hidrogen seharusnya pertama kali tertarik ke medan tegangan gelembung helium bertekanan tinggi. Pengkasaran gelembung memberikan lebih banyak area permukaan bebas untuk mengikat lebih banyak atom hidrogen.

Ketika waktu penahanan hingga 30 jam, gelembung-gelembung terus menjadi kasar yang diilustrasikan pada Gambar. 4. Ukuran rata-ratanya adalah 14 nm, dan kerapatan angkanya adalah 1,6 × 10 ¹¹ cm ⁻² . Loop dislokasi tidak muncul. Mekanisme kedua yang berkontribusi pada penurunan kepadatan loop dislokasi selama anil adalah pelepasan loop seluler yang jelas pada permukaan bebas. Hilangnya ini dapat terjadi baik dari disolusi cepat cacat titik ke dalam matriks atau, lebih mungkin, migrasi loop ke wastafel terdekat, yang dalam hal ini adalah permukaan bebas [21]. Dari gambar HRTEM pada Gbr. 4b, kita dapat mengidentifikasi garis dislokasi.

Struktur mikro paduan V-4Cr-4Ti setelah perlakuan anil pasca-iradiasi pada 450 °C selama 30 jam. a Gelembung bidang terang. b Garis dislokasi gambar resolusi tinggi

Penelitian tentang annealing di atas 400 °C dalam paduan berbasis vanadium menemukan beberapa jenis pelat Ti-O dan endapan kuboid [24]. Untuk menganalisis komposisi paduan V-4Cr-4Ti setelah perlakuan annealing pasca iradiasi (waktu penahanan adalah 30 jam), kami menggunakan mikroskop FEI Tecnai F20 yang dilengkapi dengan sistem analisis spektrum sinar-X energi (EDS) dispersif dan mikroskop elektron pemindaian. (STEM-EDS) yang melakukan analisis komposisi. Hasilnya adalah sebagai berikut.

Dari Gambar. 5, tidak ada endapan yang jelas muncul. Meskipun kandungan oksigennya sedikit tinggi, tidak ada endapan seperti piringan atau cakram. Analisis kuantitatif cacat akibat iradiasi adalah sebagai berikut.

Pemetaan STEM dan EDS dari paduan V-4Cr-4Ti setelah perlakuan anil pasca-iradiasi pada 450 °C selama 30 jam. a Gambar kontras Z perbesaran rendah. b Pemetaan komposisi

Pengerasan Iradiasi

Uji nanoindentasi digunakan untuk menguji pengerasan sampel as-iradiasi dan pasca-iradiasi dalam penelitian ini dengan alasan area iradiasi kecil dan batas kedalaman sampel iradiasi dalam akselerator ion. Hasilnya ditunjukkan pada Gambar. 6. Sebagai perbandingan, kekerasan paduan V-4Cr-4Ti yang tidak disinari juga diuji.

Kekerasan pada paduan V-4Cr-4Ti dengan kondisi yang berbeda. a Profil kedalaman kekerasan iradiasi mentah. b Kedalaman lekukan kekerasan lekukan nano rata-rata dengan bilah kesalahan. c Plot H ² vs 1/jam untuk spesimen yang diiradiasi. d Eksperimental H pengukuran dikoreksi untuk ISE

Efek ukuran lekukan (ISE) diamati untuk hampir semua sampel dari Gambar. 6a, bermanifestasi sebagai lekukan yang lebih kecil memberikan pembacaan yang lebih tinggi dalam kekerasan. Untuk mengecualikan ISE, data di wilayah yang lebih dangkal dari 100 nm diabaikan. Ketergantungan kedalaman dari rata-rata kekerasan nanoindentasi dengan bilah kesalahan untuk semua sampel diberikan pada Gambar. 6b. Jelas bahwa pengerasan disebabkan oleh iradiasi. Kekerasan sampel yang diiradiasi dan pasca-iradiasi lebih tinggi daripada sampel yang tidak diiradiasi.

Hasil kekerasan selanjutnya dikoreksi menggunakan model Nix-Gao [25] yang menjelaskan peningkatan kekerasan karena dislokasi geometris yang diperlukan di dekat permukaan yang mengakomodasi indentor [26]. Model Nix-Gao dinyatakan sebagai:

Dimana H adalah kekerasan eksperimental, H ₀ adalah kekerasan pada kedalaman tak terbatas, h ^* adalah panjang karakteristik yang bergantung pada bahan dan bentuk ujung indentor, dan h adalah kedalaman lekukan.

Jika H ² diatur sebagai Y -sumbu, sementara 1/jam diatur sebagai X -sumbu, plot H ² vs 1/jam untuk semua sampel diperoleh seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6c. Dapat dilihat bahwa plot H ² vs 1/jam menunjukkan linearitas yang baik pada kedalaman yang lebih dangkal dan menyimpang dari pemasangan linier pada wilayah yang lebih dalam [6, 27].

Derajat deviasi pada Gambar 6c untuk sampel yang diiradiasi lebih besar. H ₀ di wilayah iradiasi dapat diperoleh dengan memasang data yang sesuai dari Gambar. 6c. Kemudian, kita bisa mendapatkan pengukuran H eksperimental yang dikoreksi untuk ISE yang ditunjukkan pada Gambar. 6d. Kekerasan sampel yang tidak diiradiasi adalah yang terendah, kemudian sampel yang diiradiasi, yang menunjukkan peningkatan kekerasan, diinduksi dengan iradiasi. Di antara tiga seri sampel dengan post-irradiation annealing, kekerasan sampel setelah post-iradiation annealing pada suhu 450 °C selama 20 jam paling rendah, dan ketika holding time 10 jam, kekerasan paling tinggi. Perbedaan mungkin disebabkan oleh interaksi antara cacat titik, loop dislokasi, dan gelembung. Kami membahasnya di bawah ini melalui model pengerasan penghalang yang tersebar dan hubungan Friedel-Kroupa-Hirsch.

Loop dan gelembung dislokasi berkontribusi pada pengerasan iradiasi. Jadi, kami menganalisis pengerasan iradiasi simulasi numerik dari dua aspek. Berdasarkan model pengerasan penghalang terdispersi, kita dapat memperkirakan peningkatan tegangan luluh [28] yang disebabkan oleh loop dislokasi.

Dimana, M adalah faktor Tarlor (3,05 untuk logam BCC); α adalah kekuatan penghalang (0,45), I adalah jarak rata-rata antara rintangan yang dapat diperkirakan sebagai 1/\( \sqrt{Nd} \), μ adalah modulus geser, b adalah vektor Burger, dan N dan d adalah kepadatan loop rata-rata dan ukuran rata-rata loop dislokasi, masing-masing, yang ditunjukkan pada Tabel 2. Menurut rumus, pengerasan yang disebabkan oleh loop dislokasi sebanding dengan \( \sqrt{Nd} \).

Pengerasan yang disebabkan oleh gelembung dapat dikembangkan oleh hubungan Friedel-Kroupa-Hirsch.

dimana N dan d adalah kepadatan lingkaran rata-rata dan ukuran rata-rata gelembung yang ditunjukkan pada Tabel 2.

Berdasarkan rumus (2) dan (3), pengerasan iradiasi paduan V-4Cr-4Ti yang mengalami perlakuan anil pasca iradiasi selama 10, 20, dan 30 jam pada suhu 450 °C diperkirakan sebagai berikut. A dan B mewakili konstanta yang berbeda dalam rumus (2) dan (3).

Dari Tabel 3, pengaruh loop dislokasi pada pengerasan iradiasi berkurang dan dampak gelembung berlawanan dengan waktu penahanan. Perlu diperhatikan bahwa perhitungan tidak termasuk paduan yang tidak disinari dan yang diiradiasi karena kami tidak dapat menghitung ukuran dan jumlah densitas loop dislokasi dan gelembung di dalamnya.

Tanpa anil pasca-iradiasi, ada cacat kecil atau loop dislokasi pada masa inkubasi. Distorsi kisi yang disebabkan oleh cacat iradiasi mempengaruhi pengerasan iradiasi. Saat dianil pada 450 °C, loop dislokasi tumbuh. Dan gelembung-gelembung itu muncul dan menjadi kasar. Pertumbuhan gelembung melalui helium induced loop punching, dibantu oleh adanya hidrogen, bukan sebagai interaksi langsung antara hidrogen dan helium [19]. Interaksi antara gelembung dan loop kuat ketika waktu penahanan 10 jam dan akan meningkatkan pengerasan. Waktu penahanan yang terus-menerus membuat kekosongan dan interstisial dimusnahkan di semua jenis sink seperti loop, gelembung, batas butir, dan permukaan bebas. Cacat yang tersisa semakin sedikit. Sementara itu, loop dislokasi keluar dari permukaan secara perlahan. Efek menjepit antara loop dislokasi dan gelembung menjadi lebih lemah yang menyebabkan pemulihan kecil pengerasan iradiasi. Saat waktu penahanan hingga 30 jam, sebagian besar loop dislokasi menghilang. Kemudian, gelembung yang sangat besar memainkan peran dominan pada pengerasan.

Meskipun pengerasan paduan V-4Cr-4Ti yang diiradiasi lebih rendah daripada baja martensit aktivasi rendah China yang diiradiasi [29], pengerasan iradiasi tidak pulih sesuai dengan anil pada 450 °C hingga 30 jam. Fukumoto dkk. [14] mempelajari perlakuan anil pasca-iradiasi paduan vanadium iradiasi neutron dan menemukan pemulihan elongasi 3% dalam paduan V-4Cr-4Ti yang dicapai dengan perlakuan anil pada 500 °C selama 20 jam dalam ruang hampa. Namun, elemen mikrostruktur (misalnya, kluster cacat dan struktur dislokasi) mempertahankan pengerasan tinggi bahkan setelah 50 jam perlakuan anil. Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut mengingat untuk meningkatkan suhu annealing [11] atau memperpanjang waktu penahanan.