Evolusi Komposisi dan Fraksi Nanopartikel dalam Penggelapuran Dua Tahap Legam Al-Zn-Mg
Abstrak
Dalam penelitian ini, kami menggunakan tomografi sonda atom (APT) bersama dengan mikroskopi transmisi elektron resolusi tinggi (HRTEM) untuk mengukur ukuran, fraksi, dan komposisi kimia endapan yang terbentuk selama protokol penggelapuran dua puncak dua tahap untuk legam Al-Zn-Mg. Kami menemukan bahwa konten aluminium nanopartikel sangat bergantung pada ukuran: partikel dengan jari-jari ekuivalen di bawah ~3 nm mengandung >50 at.% Al, sedangkan yang di atas ~5 nm mengandung <40 at.% Al. Transformasi dari zona G.P. (Guinier–Preston) ke fase η seimbang berjalan melalui perantara η′ yang mengintegrasikan lebih banyak Mg dan Zn, memindahkan Al. Pada puncak penggelapuran pertama, zona G.P. menyusun ~85 % dari semua nanopartikel, sementara pada puncak kedua fase η′ mendominasi (~55 %). Bahkan setelah over-aging yang diperpanjang (T73), zona G.P. tetap ada sekitar ~20 % dan fase η menyusun ~63 % dari populasi endapan, yang menekankan pengaruhnya terhadap kinerja mekanis.
Latar Belakang
Legam Al-Zn-Mg (dan Al-Zn-Mg-Cu) bergantung pada pengkerasan endapan untuk mencapai kekuatan tinggi. Urutan endapan klasik untuk sistem ini berkembang dari larutan padat tersaturasi melalui zona G.P. koherent, perantara η′ semi-koherent, ke fase η (MgZn₂) seimbang yang tidak koherent. Penelitian sebelumnya mengidentifikasi dua puncak kekakalan yang berbeda dalam regime penggelapuran dua tahap, yang mengaitkan puncak pertama dengan zona G.P. dan yang kedua dengan fase η′. Namun, TEM konvensional hanya memberikan wawasan dua dimensi, yang membatasi penentuan yang akurat fraksi dan komposisi endapan. APT, dengan resolusi 3-D sub-nanometer, menyediakan pemetaan elemen yang tepat dan unik cocok untuk mengatasi kesenjangan ini. Meskipun studi APT sebelumnya telah melaporkan rasio Zn/Mg dan konten Al yang berbeda dalam endapan Al-Zn-Mg, tidak ada yang secara komprehensif melacak fraksi yang berkembang dari setiap tipe endapan dalam seluruh urutan penggelapuran. Penelitian ini menjembatani kesenjangan itu dengan menggabungkan APT dan HRTEM untuk menyajikan pandangan skala penuh tentang evolusi nanopartikel, yang kemudian memandu pengoptimalan jadwal penggelapuran untuk kinerja legam yang superior.
Metode
Material
Legam yang diteliti (7N01) mengandung 4,06 wt.% Zn, 1,30 wt.% Mg, 0,30 wt.% Mn, 0,18 wt.% Cr, 0,13 wt.% Zr, 0,05 wt.% Ti, dan sisanya Al. Spesimen diproses ekstrusi, dikunci air dengan sinar air, diatur secara alami selama 72 jam, kemudian diberi subjek pada urutan penggelapuran buatan dua tahap: 100 °C selama 12 diikuti oleh 170 °C selama durasi yang bervariasi.
Karakterisasi
Kekakalan diukur dengan tester kekakalan mikro. Pengcitraan HRTEM dilakukan pada FEI Tecnai F20 untuk mengidentifikasi morfologi endapan dan hubungan orientasi. Data APT dikumpulkan pada CAMECA LEAP 5000 XR, yang beroperasi pada 50 K dengan skema pulsa tegangan 200 kHz. Persiapan spesimen melibatkan protokol elektropolish dua langkah (10 % asam perklorat dalam asam asetat, kemudian 4 % asam perklorat dalam 2-butoksietanol). Rekonstruksi 3-D dan analisis komposisi dilakukan dengan Imago Visualization and Analysis Software (IVAS) v3.8.0, menggunakan permukaan isokonsentrasi 12,0 at.% (Mg+Zn) untuk mendelineasi endapan.
Hasil dan Pembahasan
Jadwal penggelapuran dua tahap menghasilkan empat kondisi yang berbeda: under-aged (UA), puncak pertama (PAI), puncak kedua (PAII), dan over-aged (T73). Data kekakalan (Gambar 1) mengonfirmasi penurunan sekitar 15 % dari puncak pertama ke puncak kedua. Citra HRTEM (Gambar 2) mengungkapkan zona G.P. yang sepenuhnya koherent dalam UA, zona yang sedikit kasar tetapi masih koherent dalam PAI, fase η′ elipsoid dengan distorsi jaringan dalam PAII, dan fase η heksagonal yang sepenuhnya tidak koherent dalam T73.
Kurva pengkeras-penggelapuran legam eksperimental dalam proses penggelapuran tahap kedua
Citra HRTEM BF nanopartikel tipikal dalam berbagai kondisi proses penggelapuran tahap kedua: a UA, b PAI, c PAII, dan d OA. Pola difraksi elektron area terpilih (SAED) dekat zona sumbu [110], [011], [011], dan [001] ditunjukkan sebagai inset dalam a–d, masing-masing
Rekonstruksi 3-D APT (Gambar 3) melengkapi pengamatan TEM dan menyediakan profil komposisi kuantitatif. Zona G.P. dalam UA memiliki ketebalan rata-rata ~2 nm dan mengandung ~13,8 at.% Zn, ~9,4 at.% Mg, dan ~75,8 at.% Al (Zn/Mg ≈ 1,5). Dalam PAI, endapan yang sama melebar menjadi ~2,5 nm dan menjadi kaya Zn (≈ 23,6 at.%) dan Mg (≈ 17,2 at.%), mengurangi Al menjadi ~57,5 at.%. Endapan PAII adalah fase η′ elipsoid dengan ~30,3 at.% Zn, ~25,7 at.% Mg, dan ~43,4 at.% Al (Zn/Mg ≈ 1,2). Dalam T73, fase η seimbang (~6 nm tebal) mengandung ~50,2 at.% Zn, ~30,1 at.% Mg, dan ~17,7 at.% Al (Zn/Mg ≈ 1,7). Tren Al yang bergantung pada ukuran jelas muncul: partikel yang lebih besar dari 5 nm memiliki <40 at.% Al, sedangkan yang di bawah 3 nm memiliki >50 at.% Al.
Rekonstruksi tiga dimensi spesimen dalam berbagai kondisi penggelapuran tahap kedua: a UA, c PAI, e PAII, dan g OA. Profil komposisi melalui nanopartikel tipikal yang ditandai dalam 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 jari-jari ekuivalen (R_eq) dan konten Al yang sesuai (dalam at. %) dari nanopartikel dalam berbagai kondisi penggelapuran tahap kedua: a UA, b PAI, c PAII, dan d OA
Fraksi statistik nanopartikel dalam berbagai kondisi penggelapuran tahap kedua
Analisis fraksi (Gambar 5) menunjukkan bahwa zona G.P. mendominasi pada puncak pertama (≈85 %) tetapi menurun tajam seiring dengan penggelapuran. Fase η′ naik ke fraksi puncak (~55 %) dalam PAII sebelum menurun dalam T73, di mana fase η menjadi mayoritas (~63 %) sementara zona G.P. mempertahankan sekitar ~20 % yang modest. Tren ini mengonfirmasi mekanisme pengkeras dual-puncak: zona G.P. untuk puncak pertama, η′ untuk yang kedua, dan penurunan kekakalan dalam T73 karena fase η yang kurang efektif.
Peta atom tipikal tebal 1-nm (50 × 30 nm) yang menunjukkan distribusi atom Mg, Zn, dan Al dalam kondisi OA. Konten Al yang sesuai dalam nanopartikel ditunjukkan sebagai inset
Kesimpulan
Dalam legam yang diatur puncak pertama, zona G.P. menyusun ~92,5 % dari semua endapan dan mengandung >50 at.% Al, yang memberikan kekakalan maksimum.
Puncak kekakalan kedua timbul dari campuran fase η′ (~54,5 %) dan zona G.P. tersisa (~22,7 %). Fase η′ memiliki konten Al dan ukuran yang menengah antara zona G.P. dan fase η.
Fase η muncul hanya setelah tahap penggelapuran kedua, dengan konten Al <40 at.% dan jari-jari ekuivalen >5 nm. Dalam T73, fase η menyusun ~63 % dari populasi endapan, sementara konten Al mereka secara bertahap menurun dengan penggelapuran lebih lanjut.
Zona G.P. tetap ada selama over-aging karena atom Mg dan Zn secara preferensi memberi makan fase η yang lebih besar, yang membatasi pertumbuhan zona G.P. yang lebih kecil dan memungkinkan mereka untuk tetap kaya Al.
