Studi Perbandingan Stabilitas Mikro dari Nikel Nanokristalin Elektrodeposit Pra-anil Selama Pengerolan Kemasan
Abstrak
Stabilitas mikrostruktur merupakan masalah penting untuk bahan nanokristalin yang akan digunakan secara praktis di berbagai bidang. Karya ini menunjukkan bagaimana struktur mikro berevolusi dengan regangan bergulir dalam nikel nanokristalin elektrodeposisi pra-anil yang mengandung tekstur serat awal yang kuat, berdasarkan analisis profil garis difraksi sinar-X serta pengamatan mikroskop elektron transmisi. Pengaruh regangan geser pada stabilitas mikrostruktur antarmuka kontak logam/gulungan dibandingkan dengan antarmuka kontak logam/logam; yang terakhir akan lebih dekat dengan deformasi dalam kompresi regangan bidang. Dari informasi struktur mikro statistik, bersama dengan struktur mikro yang diamati secara eksperimental dari butiran terdeformasi setelah lintasan penggulungan akhir, tampaknya adil untuk menyimpulkan bahwa struktur mikro antarmuka kontak logam/logam lebih stabil selama pengerolan paket daripada antarmuka logam/gulungan.
Pengantar
Bahan nanokristalin (nc) dengan ukuran butir kurang dari 100 nm biasanya menunjukkan sifat mekanik yang sangat baik terutama kekuatan tinggi dan kekerasan tinggi yang dapat dimanfaatkan dalam berbagai aplikasi teknologi [1]. Namun, sejumlah besar penelitian dalam beberapa tahun terakhir telah menunjukkan bahwa stabilitas mikro merupakan masalah yang tidak dapat dihindari dan sangat penting untuk bahan nc ketika mereka secara praktis digunakan [2,3,4]. Sebagai salah satu fitur mikrostruktur yang paling umum, ukuran butir selalu diberikan prioritas pertama selama produksi dan pemrosesan bahan nc. Sayangnya, telah ditemukan bahwa pertumbuhan butir yang jelas dapat terjadi pada perlakuan termal atau pemrosesan mekanis bahan nc [5,6,7,8,9]. Mengikuti hubungan Hall-Petch klasik untuk bahan dalam kisaran ukuran butir dari ~ 20 hingga beberapa ratus mikrometer, pertumbuhan butir akan menyebabkan penurunan atau penurunan kinerja. Sepanjang penyelidikan eksperimental pada hubungan antara mikro dan sifat logam nc, sejumlah besar informasi mikrostruktur diperoleh dengan mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi dan / atau probe atom tiga dimensi [10,11,12,13]. Hasil-hasil ini tampaknya langsung dan terlihat, tetapi mau tidak mau dipertanyakan karena fakta bahwa pengamatan lokal seperti itu terlalu mikrokosmik. Oleh karena itu, perlu dan penting untuk memahami fisika deformasi plastis dari perspektif yang lebih makro atau keseluruhan.
Hasil dari perbandingan perkembangan struktur mikro pada material nc terdeformasi menunjukkan bahwa perilaku pertumbuhan butir dipengaruhi oleh mikrostruktur awal seperti orientasi butir, tegangan internal, dan kerapatan cacat kristal [6, 14,15,16]. Dengan demikian, sulit untuk membandingkan hasil evolusi mikrostruktur dari literatur lain. Dua atau lebih sampel diharapkan terdeformasi secara bersamaan di bawah kondisi deformasi nominal yang sama. Perhatikan bahwa ikatan gulungan akumulatif adalah salah satu teknik yang kuat untuk menghasilkan mikrostruktur butir ultra-halus dengan memperkenalkan regangan besar dan gradien regangan [17, 18]. Pengerolan paket telah dipilih sebagai rute pemrosesan deformasi dalam penelitian kami sebelumnya. Pengaruh deformasi pack-rolling pada struktur mikro, tekstur, dan kekerasan nc Ni terutama telah dieksplorasi [19, 20]. Telah terungkap bahwa zona terdeformasi dengan ukuran butir yang berbeda mengalami regangan yang berbeda. Namun demikian, sedikit perhatian diberikan pada analisis komparatif mendalam evolusi mikrostruktur seperti perubahan kepadatan cacat kristal. Oleh karena itu, penelitian ini bertujuan untuk menyelidiki lebih lanjut stabilitas mikrostruktur dari pack-rolled nc Ni.
Materi dan Metode
Lembaran nikel nc elektrodeposit padat dengan kemurnian 99,8% dipilih sebagai bahan penelitian ini. Sebelum deformasi rolling, lembaran yang diterima dengan ketebalan ~ 0.22 mm pertama-tama dianil dalam ruang hampa pada 373 K selama 30 menit untuk menghilangkan tegangan sisa. Tidak ada bukti pertumbuhan butir yang jelas ditemukan. Selanjutnya, lembaran pra-anil dipotong kecil-kecil dengan dimensi 6 mm × 5 mm. Dua buah sampel dengan struktur mikro awal yang nominalnya sama, dipilih dengan analisis difraksi sinar-X (XRD), ditumpuk bersama dan kemudian melalui sepasang gulungan dengan diameter 180 mm pada suhu kamar. Setelah setiap rolling pass, ditemukan dua sampel yang mengalami deformasi memiliki pengurangan ketebalan yang hampir sama. Selama proses pengerolan kemasan tersebut, regangan penggulungan nominal setiap sampel ditentukan oleh ε = \( 2\ln \left({t}_0/t\right)/\sqrt{3} \), di mana t0 dan t adalah ketebalan awal dan ketebalan akhir, masing-masing [21]. Dalam hal ini, kami secara khusus berfokus pada evolusi struktur mikro dari antarmuka kontak logam/logam dan antarmuka kontak logam/rol. Untuk kenyamanan, antarmuka kontak logam/logam disebut sebagai antarmuka M/M, dan antarmuka kontak logam/rol disebut sebagai antarmuka M/R.
Perubahan mikrostruktur yang diinduksi deformasi diperiksa secara kuantitatif dengan analisis XRD pada difraktometer PC Rigaku D/MAX-2500 dengan target Cu putar (18KW), yang beroperasi dalam mode pemindaian waktu tetap. Parameter mikrostruktur terkait seperti ukuran butir dan regangan mikro diperoleh dengan analisis profil garis difraksi sinar-X [22, 23]. Untuk memverifikasi hasil yang diperoleh dari XRD, mikroskop elektron transmisi (TEM) digunakan untuk membuat evaluasi intuitif pada struktur mikro akhir bagian arah penggulungan normal, terutama distribusi ukuran butir. Sampel foil untuk TEM disiapkan dengan elektropolishing jet ganda dalam larutan metanol dan asam nitrat (V :V = 4:1) pada suhu 243 K. Pengamatan TEM dilakukan pada ZEISS LIBRA 200FE pada tegangan akselerasi 200 kV. Morfologi butir diamati dalam pencitraan bidang terang. Pengukuran ukuran butir dilakukan menggunakan pencitraan bidang gelap yang sesuai. Untuk setiap sampel, lebih dari 200 butir diukur untuk menangkap evolusi keseluruhan distribusi ukuran butir. Selanjutnya, dengan mempertimbangkan keterbatasan dimensi sampel kecil, pengukuran kekerasan mikro dilakukan pada kedua sisi sampel setelah setiap lintasan penggulungan, menggunakan alat uji kekerasan Vickers mikro HVS-1000 dengan beban 0,196 N.
Hasil dan Diskusi
Gambar 1 menunjukkan pola XRD tipikal untuk antarmuka M/R dan M/M sampel nc Ni yang digulung dengan regangan yang berbeda. Untuk sampel yang tidak berbentuk sebagai anil (ε = 0), tidak ada perbedaan yang mencolok dalam intensitas difraksi antara antarmuka M/R dan M/M. Analisis lebih lanjut pada koefisien tekstur menunjukkan sampel yang tidak terdeformasi memiliki tekstur serat awal yang kuat. Seperti yang diharapkan, intensitas difraksi, terutama untuk puncak (111) dan (200), menunjukkan evolusi tekstur yang sangat berbeda setelah beberapa lintasan deformasi pengerolan (ε = 0,25 dan ε = 0,50). Berdasarkan penyelidikan sebelumnya yang melibatkan pengembangan tekstur deformasi, antarmuka M/R didominasi oleh deformasi geser, sedangkan antarmuka M/M lebih dekat dengan deformasi pada kompresi regangan bidang [24,25,26]. Analisis kuantitatif pada hasil normalisasi puncak (111) dan (200) membuktikan bahwa terdapat perbedaan tertentu antara antarmuka M/R dan antarmuka M/M. Dalam kasus antarmuka M/R, puncak difraksi menyempit secara signifikan, yang terutama disebabkan oleh pertumbuhan butir yang disebabkan oleh deformasi. Namun, dalam kasus antarmuka M/M, pelebaran puncak yang jelas dan pergeseran puncak diamati, menunjukkan bahwa banyak cacat kristal seperti dislokasi dan kesalahan susun telah dihasilkan selama proses penggulungan.
Pola XRD tipikal a antarmuka kontak logam/gulungan (M/R) dan b antarmuka kontak logam/logam (M/M) selama deformasi pengepakan dari nikel nanokristalin yang dielektrodeposisi pra-anil. Puncak yang dinormalisasi dari (111) dan (200) bidang refleksi ditampilkan di sudut kanan atas
Gambar 2 menunjukkan hasil semi-kuantitatif nc Ni setelah setiap lintasan bergulir, yang ditentukan oleh analisis profil garis difraksi sinar-X. Probabilitas kesalahan susun keseluruhan (SFP), dievaluasi oleh pergeseran puncak, ditunjukkan pada Gambar. 2a. Untuk antarmuka M/M, SFP keseluruhan menunjukkan perkembangan uptrend yang relatif stabil dengan meningkatnya ketegangan. Namun, untuk antarmuka M/R, SFP menunjukkan peningkatan tajam selama tahap awal deformasi rolling, mencapai nilai maksimum 0,015 pada regangan kecil ~ 0,1. Selanjutnya, SFP ini ternyata menurun dengan deformasi terus menerus dan mendapatkan nilai 0,006 pada regangan 0,5, yang hanya sepertiga dibandingkan dengan SFP antarmuka M/M. Mempertimbangkan mekanisme generasi kesalahan susun pada logam NC, perbedaan tersebut menunjukkan struktur mikro antarmuka yang berbeda harus menjalani rute evolusi yang berbeda.
Hasil kuantitatif dari a kemungkinan kesalahan susun, b lebar integral untuk (111) dan (200) puncak, c ukuran butir, dan d rms microstrain diperoleh dengan analisis profil garis difraksi sinar-X
Gambar 2b menunjukkan variasi lebar integral untuk puncak (111) dan (200). Dapat dilihat bahwa lebar integral dari dua puncak difraksi antarmuka M/M secara signifikan lebih tinggi daripada antarmuka M/R selama seluruh proses deformasi pengerolan paket. Khususnya, perlu dicatat bahwa tidak ada perubahan besar dalam lebar integral antarmuka M/M, ketika membandingkan keadaan terdeformasi akhir dengan keadaan anil. Mengingat hal ini, evolusi ukuran butir dan microstrain root-mean-square (r.m.s.) dipelajari dengan cermat dari analisis profil garis XRD. Seperti dapat dilihat pada Gambar. 2c, dua antarmuka sampel yang terdeformasi menunjukkan kecenderungan pengkasaran butir, tetapi dengan laju pengkasaran yang berbeda. Ukuran rata-rata butir yang terletak pada antarmuka M/R meningkat lebih cepat, yang dibuktikan dengan pengamatan TEM berikut. Di sisi lain, analisis microstrain menunjukkan bahwa ada sedikit peningkatan r.m.s. microstrain untuk kedua antarmuka selama tahap awal deformasi rolling, seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 2d. Dengan berlanjutnya deformasi, r.m.s. regangan mikro di dalam antarmuka M/R mulai terus menurun dan mencapai stabilitas pada tingkat ~ 0,19%, sedangkan r.m.s. regangan mikro di dalam antarmuka M/M cenderung menuju stabilitas pada tingkat ~ 0,26%. Pengurangan r.m.s. microstrain konsisten dengan laporan sebelumnya tentang paduan NC Ni-Fe yang dielektrodeposisi dingin setelah deformasi besar. Dalam kombinasi dengan evolusi ukuran butir, alasan utama penurunan r.m.s. microstrain akan dikaitkan dengan koalesensi butir dan pengkasaran [27,28,29].
Gambar 3 menunjukkan hasil TEM tipikal dari antarmuka M/M dan M/R. Jelas terungkap bahwa butiran yang terletak di antarmuka M/R memang lebih besar daripada yang terletak di antarmuka M/M setelah deformasi. Analisis lebih lanjut pada distribusi ukuran butir menunjukkan bahwa sebagian besar (lebih dari 75%) butir memiliki diameter kurang dari 40 nm pada sampel yang tidak berbentuk. Setelah ε = 0,50 deformasi rolling, proporsi butiran kecil (di bawah 40 nm) turun dengan jelas di antarmuka M/R. Sebaliknya, proporsi butir besar (di atas 50 nm) meningkat. Berdasarkan penelitian sebelumnya tentang aktivitas dislokasi pada butiran terdeformasi, dislokasi penuh secara bertahap akan mulai mendominasi deformasi butiran besar [30,31,32,33]. Dengan demikian, tidak sulit untuk memahami bahwa SFP antarmuka M/M jauh lebih tinggi daripada antarmuka M/R.
Gambar TEM tipikal dari a antarmuka kontak logam/logam (M/M) dan b antarmuka kontak logam/gulungan (M/R) setelah rolling pass paket akhir. Distribusi ukuran butir sebelum dan sesudah deformasi ditunjukkan pada c
Untuk menghubungkan evolusi struktur mikro dengan respon mekanik, variasi kekerasan mikro dari antarmuka M/M dan M/R ditunjukkan pada Gambar 4. Tidak ada perbedaan yang jelas antara dua antarmuka pada tahap awal deformasi. Ketika regangan meningkat, kekerasan mikro antarmuka M/M meningkat terus menerus, tetapi kekerasan mikro antarmuka M/R tampaknya menurun. Di sisi lain, dibandingkan dengan ukuran butir dan kekerasan mikro sampel dalam keadaan anil, pengerasan regangan yang diinduksi deformasi terjadi pada antarmuka M/M dan M/R, meskipun ada pengkasaran butir. Menurut hubungan Hall-Petch klasik, kekerasan mikro akan berkurang dengan meningkatnya ukuran butir. Kemudian, untuk sampel yang terdeformasi, hubungan Bailey-Hirsch dipertimbangkan [34, 35]. Kekerasan mikro versus akar kuadrat dari kerapatan dislokasi dieksplorasi. Tidak mengherankan jika ditemukan penyimpangan dari perilaku Bailey–Hirsch. Pada tahap akhir deformasi, kerapatan dislokasi sisa, ditentukan oleh r.m.s. regangan mikro, agak lebih rendah daripada keadaan anil untuk antarmuka M/R, tetapi kekerasan mikro yang sesuai agak lebih tinggi. Di sini, berdasarkan informasi mikrostruktur yang diperoleh sesuai dengan area makroskopik, ini adalah percobaan untuk mengeksplorasi kontribusi dari dua faktor mikrostruktur umum, yaitu kerapatan dislokasi dan ukuran butir, terhadap kekerasan mikro. Mengambil nilai yang dilaporkan atau nilai yang dihitung untuk nc Ni [36,37,38], nilai perkiraan kekerasan mikro juga ditampilkan pada Gambar. 4. Secara keseluruhan, nilai perkiraan antarmuka M/M lebih tinggi daripada nilai perkiraan antarmuka M/R, menunjukkan secara tidak langsung bahwa hasil XRD statistik dari evolusi mikrostruktur dapat dipercaya. Selanjutnya, dengan perbandingan dan analisis yang komprehensif tentang kesenjangan antara nilai estimasi dan nilai terukur, disimpulkan bahwa harus ada mekanisme penguatan lain di dalam sampel nc yang terdeformasi, seperti interaksi dislokasi-dislokasi [37]. Khusus untuk antarmuka M/R, interaksi dislokasi-dislokasi dapat terjadi dalam butiran besar, membantu meningkatkan tingkat pengerasan kerja.
Pengukuran eksperimental dan perkiraan prediksi evolusi kekerasan mikro selama pengepakan nikel nanokristalin pra-anil. Nilai perkiraan kekerasan mikro hanya ditentukan oleh ukuran butir dan kerapatan dislokasi berdasarkan hubungan Hall-Petch dan hubungan Bailey-Hirsch
Kesimpulan
Dalam karya ini, stabilitas mikro dari nikel nanokristalin selama deformasi pengerolan paket diselidiki secara kuantitatif berdasarkan analisis profil garis difraksi sinar-X. Keandalan beberapa hasil yang relevan divalidasi dengan pengamatan mikroskop elektron transmisi dan pengukuran kekerasan mikro. Perbedaan dalam pengembangan mikrostruktur antara antarmuka kontak logam/logam dan antarmuka kontak logam/rol menjadi perhatian khusus. Hasil penelitian menunjukkan bahwa struktur mikro dari dua antarmuka mengalami rute evolusi yang berbeda karena strain yang dikenakan berbeda. Dari informasi statistik mikrostruktur seperti kerapatan cacat kristal dan ukuran butir, dapat disimpulkan bahwa struktur mikro antarmuka kontak logam/logam lebih stabil selama pengerolan paket dibandingkan dengan antarmuka logam/gulungan.
