Variasi fraksi dan komposisi nanopartikel dalam pengendapan penuaan puncak ganda dua tahap paduan Al−Zn−Mg

Hasil dan Diskusi

Paduan eksperimental menjadi sasaran perlakuan penuaan dua tahap, yaitu, berusia 373 K selama 12 jam dan kemudian berusia 443 K untuk waktu yang berbeda. Kurva pengerasan-penuaan tahap kedua dari paduan eksperimental ditunjukkan pada Gambar. 1. Status pada 0, 2, 8, dan 14 jam dari proses penuaan tahap kedua berhubungan dengan UA (di bawah penuaan), PAI (penuaan puncak I), PAII (puncak penuaan II), dan OA (T73 pada penuaan berlebih), masing-masing. Menurut variasi kekerasan, paduan dalam kondisi T73 kehilangan ~ 15% kekerasan dibandingkan dengan PAI.

Kurva pengerasan penuaan dari paduan eksperimental dalam proses penuaan tahap kedua

Nanopartikel khas dalam empat keadaan tersebut diamati oleh HRTEM, dan gambar bidang terang (BF) ditunjukkan pada Gambar. 2. Hubungan yang sepenuhnya koheren antara nanopartikel dan matriks Al di dekat sumbu zona [110] pada Gambar. 2a secara langsung membuktikan keberadaan dari GP zona di UA [16]. Seiring bertambahnya usia, G.P. zona kasar di PAI dan masih koheren dengan matriks Al seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b. Untuk nanopartikel yang ditunjukkan pada Gambar. 2c, distorsi kisi dapat dilihat dengan jelas, yang terkait dengan prosedur perpindahan atom Zn ke dalam kisi dan menginduksi ketidakteraturan pada fase [17]. Sementara itu, penelitian sebelumnya juga melaporkan bahwa puncak penuaan kedua terutama disebabkan oleh fase [6]. Namun, nanopartikel khas dalam OA yang ditunjukkan pada Gambar. 2d sama sekali tidak koheren dengan matriks Al dan menunjukkan kisi heksagonal di dekat sumbu zona [001], yang dapat dikenali sebagai fase . Secara khusus, a sumbu diukur pada ~ 0,53 nm dan sesuai dengan studi sebelumnya tentang fase kesetimbangan [18].

Gambar BF HRTEM dari nanopartikel tipikal dalam keadaan berbeda dari proses penuaan tahap kedua:a UA, b PAI, c PAII, dan d OA. Pola difraksi elektron area terpilih (SAED) di dekat sumbu zona [110], [011], [011], dan [001] ditampilkan sebagai sisipan dalam a –d , masing-masing

Gambar 3 menunjukkan morfologi rekonstruksi 3D spesimen dalam kondisi penuaan tahap kedua yang berbeda, bersama dengan profil konsentrasi 1D yang representatif melalui nanopartikel tipikal yang ditandai di setiap status. Gambar yang ditunjukkan pada Gambar. 3a mewakili nanopartikel dalam penuaan tahap awal yang terdiri dari G.P. zona. Seperti yang ditunjukkan, jumlah nanopartikel kecil yang relatif kecil dapat diamati. Analisis konsentrasi yang ditunjukkan pada Gambar. 3b menunjukkan bahwa nanopartikel tipikal dengan ketebalan ~ 2,0 nm bervariasi dalam komposisi dengan kandungan rata-rata ~ 13.8 ± 0.1 pada. % Zn, ~ 9.4 ± 2.1 at. % Mg dan ~ 75.8 ± 1.7 pada. % Al, dan rasio Zn/Mg pada ~ 1.5:1. Puncak kekerasan di PAI terutama disumbangkan oleh G.P. zona [6]. Dalam morfologi rekonstruksi spesimen di PAI (Gbr. 3c), banyak nanopartikel datar dapat diamati dengan jelas. Komposisi rata-rata nanopartikel pada Gambar 3c diukur sebagai ~ 23.6 ± 1.3 di. % Zn, ~ 17.2 ± 0.3 pada. % Mg, dan ~ 57,5 ± 1,8 pada. % Al, memberikan rasio Zn/Mg rata-rata pada ~ 1,4:1, dan ketebalannya naik menjadi ~ 2,5 nm seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3d. Komposisi nanopartikel yang disebutkan di atas dalam keadaan UA dan PAI keduanya konsisten dengan hasil sebelumnya tentang G.P. zona di mana rasio Zn/Mg ditemukan berada antara 1:1 dan 1,5:1 [9, 10, 12]. Gambar 3e menunjukkan morfologi rekonstruksi untuk spesimen dalam keadaan PAII, di mana hasil HRTEM yang sesuai menunjukkan bahwa nanopartikel utama adalah fase . Terlihat jelas bahwa nanopartikel cenderung berbentuk elips. Sementara itu, dibandingkan dengan G.P. zona, massa Al dalam nanopartikel khas digantikan oleh zat terlarut Zn dan Mg seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3f. Secara khusus, ada sekitar ~ 30.3 ± 3.9 di. % Zn dan ~ 25.7 ± 3.8 pada. % Mg bersama dengan ~ 43.4 ± 2.8 di. % Al dalam nanopartikel, dan rasio Zn/Mg rata-rata diukur pada ~ 1.2:1. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3g, ini bertepatan dengan pengamatan HRTEM bahwa sebagian besar nanopartikel pada OA berukuran kasar. Sesuai dengan penurunan kekerasan selama penuaan, fase menunjukkan efek penguatan yang cukup lemah pada paduan eksperimental. Secara rinci, nanopartikel tipikal dengan ketebalan ~ 6.0-nm terutama terdiri dari ~ 50.2 ± 2.2 at. % Zn dan ~ 30.1 ± 1.1 pada. % Mg bersama dengan ~ 17.7 ± 1.9 pada. % Al dan memiliki rasio Zn/Mg sekitar ~ 1.7:1. Sementara itu, kami menemukan bahwa radius ekivalen (R _sama ) dari nanopartikel berhubungan dengan kandungan Al. Gambar 4 menunjukkan distribusi R _sama dan kandungan Al yang sesuai dari nanopartikel di berbagai kondisi penuaan melalui analisis statistik lebih dari seratus nanopartikel. Dapat dengan mudah ditemukan bahwa semakin besar partikel, semakin sedikit Al yang dikandungnya. Untuk penjelasannya, evolusi dari G.P. zona ke fase adalah proses pertumbuhan di mana atom Mg dan Zn memasuki nanopartikel, oleh karena itu menolak atom Al. Pertama, kami menemukan bahwa kandungan Al dari nanopartikel dalam OA dapat dibagi menjadi tiga rentang dengan R _sama meningkat, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4d. Secara rinci, kapan R _sama melebihi ~ 5.0 nm, konten Al berkisar dari ~ 10.2 hingga ~ 36.4 at. %. Komposisi tersebut mirip dengan studi kimia fase yang dilaporkan oleh Maloney [14]. Sejalan dengan itu, bervariasi dari ~ 42.1 hingga ~ 48.4 di. % dan dari ~ 52.4 hingga ~ 67,1 di. % ketika R _sama masing-masing antara ~ 3.0 dan ~ 5.0 nm dan lebih rendah dari ~ 3.0 nm. Lebih menarik lagi, kondisi PAII pada Gambar 4c menunjukkan hasil yang serupa. Oleh karena itu, dengan merujuk hasil APT saat ini dan sebelumnya [9, 14], kami membagi konten Al menjadi tiga rentang, yaitu,> ~ 50.0, ~ 40.0 hingga ~ 50.0, dan <~ 40.0 at. %, dan membagi R _sama menjadi tiga rentang, yaitu, <~ 3.0, ~ 3.0 hingga ~ 5.0, dan>~ 5.0 nm, untuk membedakan G.P. zona, fase , dan fase . Tidak diragukan lagi, nanopartikel di UA (Gbr. 4a) dengan ~ 72,5 hingga ~ 81,4 pada. % Al benar-benar G.P. zona. Namun, Gambar 4b menunjukkan bahwa R _sama partikel nano di PAI dapat mencapai ~ 4.0 nm meskipun kandungan Al masih di atas ~ 50.0 pada. %. G.P. yang relatif kasar itu zona mungkin merupakan prekursor fase yang ukurannya melebihi ukuran kritis dan sebagian dapat kehilangan hubungan koheren dengan matriks Al. Akibatnya, hubungan antara konstitusi partikel nano dan waktu penuaan dapat terungkap. Gambar 5 menunjukkan fraksi statistik nanopartikel dalam berbagai status penuaan. G.P. zona mengambil ~ 85.0 dan ~ 22.7% nanopartikel dalam paduan penuaan puncak pertama dan kedua. Seiring bertambahnya waktu penuaan, fraksi G.P. zona menurun dan fase secara monoton naik ke nilai puncak (~ 54,5%) di PAII dan kemudian turun, yang secara langsung membuktikan fungsinya sebagai media transisi. Setelah perawatan penuaan T73, ada ~ 63,3% fase pada OA dan G.P. zona masih mengambil ~ 20.0% dari nanopartikel. Oleh karena itu, puncak kekerasan ganda keduanya disumbangkan oleh G.P. zona dan fase . G.P. zona mengambil nanopartikel pengerasan utama dalam paduan usia puncak pertama, sementara sebagian besar dari mereka berpindah ke fase pada paduan usia puncak kedua dan kemudian fase menjadi fase pengerasan utama. Selanjutnya, penurunan kekerasan pada OA berhubungan langsung dengan pembentukan fase yang menunjukkan efek pengerasan yang lebih lemah daripada G.P. zona dan fase [7].

Rekonstruksi tiga dimensi spesimen dalam kondisi penuaan tahap kedua yang berbeda:a UA, c PAI, e PAII, dan g OA. Profil komposisi melalui nanopartikel khas yang ditandai di a , c , e , dan g diukur menggunakan silinder yang dipilih (diameter, 3 nm) dengan langkah bergerak 0,5 nm dan ditunjukkan dalam b , d , f , dan h , masing-masing

Distribusi radius setara (R _sama ) dan kandungan Al yang sesuai (dalam at. %) dari nanopartikel dalam status penuaan tahap kedua yang berbeda:a UA, b PAI, c PAII, dan d OA

Fraksi statistik nanopartikel dalam kondisi penuaan tahap kedua yang berbeda

Seperti disebutkan, sejumlah G.P. zona masih ada setelah penuaan yang cukup. Gambar 6 menunjukkan peta atom tipikal dalam status OA, di mana koeksistensi G.P. zona dan fase dapat diamati dengan jelas. Fase ditandai dengan warna kuning, sedangkan G.P. zona berwarna hijau. Menariknya, wilayah yang ditandai di A dan B antara G.P. zona dan fase relatif kaya Al dan miskin Mg dan Zn dibandingkan daerah lain. Diyakini bahwa dari awal perawatan penuaan, nanopartikel di kedua sisi dapat tumbuh lebih cepat daripada yang ada di antara mereka. Akibatnya, dua nanopartikel yang relatif besar mudah ditangkap ketika mengelilingi atom Mg dan Zn di area A dan B yang ditandai dan selanjutnya dapat berubah menjadi endapan, yang secara langsung membatasi pertumbuhan G.P. zona di antara mereka. Oleh karena itu, G.P. zona tumbuh cukup lambat dan bisa ada setelah perawatan penuaan yang cukup. Selain itu, juga dapat menjadi proses pembubaran G.P. zona dengan mentransfer atom Mg dan Zn ke dua fase yang lebih besar jika ukurannya lebih rendah dari fase kritis.

Peta atom setebal 1 nm (50 × 30 nm) yang menunjukkan distribusi atom Mg, Zn, dan Al dalam keadaan OA. Konten Al yang sesuai dalam nanopartikel ditampilkan sebagai sisipan