Ασυνίθιστη συμπερφορά σκλήρυνσης κατά τη διαδικασία ανόπτησης σε κράματα Cu-Al-Zn που έχουν υποστεί κατεργασία πολλαπλής έλασης υπο κρυογονικές

συνθήκεςΜετάφραση αρχικού κειμένου: Στεργίου Ιάκωβος

Λεξεις κλειδιά: κράματα Cu-Al-Zn, ανόπτηση, έλαση, μικροδομές, μηχανικές ιδιότητες

Αναφορά

Τρία νανοδομημένα κράματα Cu-Al-Zn παράχθηκαν με την τεχνική της έλασης σε θερμοκρασία βρασμού υγρού αζώτου. Τα παραμορφωμένα κράματα Cu έπιτα υπέστησαν ανόπτηση στους 150-300 βαθμούς κελσίου για μία ώρα. Τα δύο κράματα είχαν μεγάλα ποσοστά διαλυμένης ουσίας, και γι αυτό το λόγο, μικρή ενέργεια σφαλμάτων επιστοίβασης, παρουσίασαν ασυνίθιστη σκλήρυνση κατα την διαδικασία της ανόπτησης , για την ακρίβεια μία αύξηση στην σκληρότητα και στην αντοχή και μείωση αντίστοιχα στην επιμήκυνση κατα τον εφελκυσμό μετά απο ανόπτηση στους 150 και στους 200 βαθμούς κελσίου αντίστοιχα. Απο αναλύσεις μέσω XRD και παρατήρηση της μικροδομής με τη χρήση ΤΕΜ, βρέθηκε ότι η πυκνότητα μικροπαραμορφώσεων και διαταραχών , μειώθηκε μετά απο ανόπτηση στους 200 βαθμούς εξαιτίας της ανακούφισης των διαταραχών και την μείωση της πλεγματικής σταθεράς εξαιτίας του διαχωρισμού συστατιτκών του διαλύματος. Στο μεταξύ η πικνότητα των δύο κραμάτων αυξάνει , ενώ το μέγεθος των κόκκων παραμένει σχεδόν ίδιο. Γίνεται εμφανές ότι ο σχηματισμός διδυμιών και σφαλμάτων επιστοίβασης κατα την ανόπτηση, καθώς και ο διαχωρισμός των διαλυμένων ατόμων μπορεί να είναι οι κύριοι λόγοι της ασυνήθιστης αυτής σκλήρυνσης κατα την ανόπτηση.

Εισαγωγή

Είναι γνωστό ότι τα συμβατικά λεπτόκοκκα μεταλλικά υλικά συνήθως έχουν μεγάλη αντοχή αλλά σχετικά μικρή ολκιμότητα μετά απο εκτεταμένη πλαστική παραμόρφωση, και μετά απο ανόπτηση υπάρχει μείωση της αντοχής αλλά και παράλληλη αύξηση της ολκιμότητας, εξαιτίας ανακούφισης των διαταραχών και της ανακρυστάλλωσης. Η ανόπτηση είναι μια απο τις κοινές μεθόδους για να επιτύχουμε ένα εξαιρετικό συνδιασμό αντοχής και ολκιμότητας για τα παραμορφωμένα μέταλλα. Παρ’ όλα αυτά ένα πολύ ενδιαφέρον φαινόμενο έχει παρατηρηθεί για μερικά νανοδομημένα μέταλλα. Η αντοχή για τα νανοδομημένα υλικά τα οποία παρήχθησαν με πλαστική παραμόρφωση, δεν μειώνεται αλλά αυξάνεται ως αποτέλεσμα της ανόπτησης σε χαμηλές θερμοκρασίες, πράγμα που προξένησε μεγάλη προσοχή. Έχει παρατηρηθεί ότι ανόπτηση σε χαμηλές θερμοκρασίες για σύντομα χρονικά διαστήματα μπορεί να αυξήσει την αντοχή των νανοδομημένων μετάλλων. Όλα τα είδη των μηχανισμών που συμβάλλουν σε αυτά τα ασυνήθιστα φαινόμενα που συμβαίνουν στα νανοδομημένα μέταλλα έχουν προταθεί. Παρ’ όλα αυτά υπάρχουν αρκετές διαφωνίες για αυτούς τους μηχανισμούς.

Υπάρχουν αρκετές διαφορετικές θεωρίες για τους λόγους της περίεργης σκλήρυνσης κατά την ανόπτηση που παρουσιάζεται. Η μικροσκληρότητα των νανοδομημένων σιδηρούχων και νικελιούχων κραμάτων που παρήχθησαν με κωνιομεταλλουργία είναι σχεδόν άμμεση και αυξάνεται ελάχιστα κατά την ανόπτηση σε χαμηλή θερμοκρασία εξαιτίας του διαχωρισμού των συστατικών στα όρια των κόκκων. Έχει αναφερθεί ότι η σταθερότητα του μεγέθους του κόκκου μπορεί να ενισχυθεί με την προσθήκη μόνο 1% Zr σε νανοκρυσταλλικό Cu και τα κράματα Cu-Zr με συγκεντρώσεις μεταξύ 2-5 % παρουσιάζουν σκλήρυνση κατά την ανόπτηση εξαιτίας του διαχωρισμού των διαλυμένων συστατικών στα όρια κόκκων, κατά την προσθήκη του Zr.

Σκλήρυνση κατά την ανόπτηση έχει επίσης παρατηρηθεί σε κράματα Cu-Ag ως αποτέλεσμα του διαχωρισμού του Ag σε διαταραχές. Ο διαχωρισμός συστατικών στα όρια κόκκων κατά την ανόπτηση , δυσκολεύει την ανακούφιση των τάσεων με το να σταθεροποιεί και να εμποδίζει την κίνηση των διαταραχών στα όρια των κόκκων, οδηγώντας στον εγκλοβισμό τάσεων και σε υψηλότερες φορτίσεις για ακόλουθες πλαστικές παραμορφώσεις. Σε αντίθεση για δραματικά παραμορφωμένο πλαστικά 316L ωστενιτικό χάλυβα, μια άυξηση της σκληρότητας της τάξεως του 20% κατά την ανόπτηση δεν σχετίζεται με τον διαχωρισμό των συστατικών και των σωματιδίων της δεύτερης φάσης στα όρια , αλλά συνδέεται με τον εκμηδενισμό των κινούμενων διαταραχών και την ανακούφιση των παραμενουσών τάσεων στα όρια των κόκκων. Η σκλήρυνση μέσω ανόπτησης του νανοδομημένου εμπορικά διαθέσιμου Al έχει συνδεθεί με έναν εξαρχής περιορισμένο μηχανισμό ενίσχυσης που οφείλεται σε ύπαρξη διαταραχών, εξαιτίας της έλειψης κινούμενων διαταραχών και ύπαρξης νέων πηγών αυτών, μετά απο την ανόπτηση. Υπάρχει και άλλη εξήγηση γι’ αυτό το φαινόμενο σκλήρυνσης που βασίζεται στην ανακούφιση των τάσεων στα όρια κόκκων κατά την ανόπτηση. Τα λεγόμενα όρια κόκκων μη ισορροπίας με αυξημένη ελεύθερη ενέργεια, μεγάλη πυκνότητα διαταραχών και απροσάρμοστων περιοχών μπορούν να σχηματιστούν κατά τη διάρκεια έντονης πλαστικής παραμόρφωσης μεταλλικών υλικών. Τα επιπλέον ελατώματα στα όρια των κόκκων εκμηδενίζονται και τα όρια αυξάνουν την τάξη τους μετά απο ανόπτηση σε χαμηλές θερμοκρασίες. Αυτό ορίζεται γενικά ως ανακούφιση των ορίων κόκκων. Η ανακούφιση ορίων μη ισορροπίας κατά τη διάρκεια της ανόπτησης σε χαμηλή θερμοκρασία μπορεί να αυξήσει σημαντικά την σκληρότητα και την αντοχή στον εφελκυσμό, χωρίς κάποια αξιοσημίωτη αλλαγή στο μέγεθος και το σχήμα των κόκκων. Η σκλήρυνση

κατά την ανόπτηση του προσχηματισμένου καθαρού μαγνησίου βασίζεται κυρίως στην ανακατανομή των διαταραχών και την παρεμπόδισή τους.

Πρόσφατα έχει αναφερθεί οτι η αντοχή του Cu-7%Al το οποίο έχει υποστεί έλαση <<περιστροφής>> με υψηλή πίεση, αυξάνεται μετά απο ανόπτηση στους 250 βαθμούς κελσίου για 2 ώρες εξαιτίας του σχηματισμού διδυμιών ανόπτησης σε νανοκλίμακα. Ο Jiu και οι σχετικοί επέδειξε ότι η απότομη σκλήρυνση σε βαρέως κατεργασμένα ελάσματα χαλκού και νικελίου κατά τη θερμική επεξεργασία οφείλεται κυρίως στο φαινόμενο αύξησης αντοχής λόγο ανάπτυξης πολλών διδυμιών μετά απο την ανόπτηση. Σε αυτή τη μελέτη , τρία βαριά κατεργασμένα με έλαση υπο κρυογονικές συνθήκες , δοκίμια κραμάτων Cu-Al-Zn με διαφορετικές ενέργειες επιστοίβασης, υπέστησαν ανόπτηση σε θερμοκρασίες απο 150 μέχρι 300 βαθμούς κελσίου για 1 ώρα. Το πιο ενδιαφέρον είναι οτι εμφανίστηκε σκλήρυνση κατά την ανόπτηση, η οποία διαφέρει απο τη συνήθη αύξηση της ολκιμότητας κατά την ανόπτηση. Ερευνήθηκε το αποτέλεσμα της ανόπτησης μετά απο δημιουργία πλαστικής παραμόρφωσης σε μικροδομική εξέλιξη και μηχανικές ιδιότητες, και ειδικά οι κύριοι λόγοι της σκλήρυνσης των νανοδομημένων κραμάτων Cu-Al-Zn κατα την ανόπτηση.

Υλικά και μέθοδος

Τα υλικά που χρησημοποιήθηκαν γι’ αυτή την εργασία ήταν τρία κράματα Cu-Al-Zn με συστάσεις Cu-4.3at%Al-22.8at%Zn , Cu-2.5at%Al-2.5at%Zn με SFEs των 7, 10 και 40 mJ/m2 αντίστοιχα. Αυτά τα κράματα παρήχθησαν με επαγωγική θέρμανση σε μορφή φύλλων των 8mm πάχους και έπιτα έγινε ανόπτηση σε αυτά στους 800 βαθμούς κελσίου για 4 ώρες σε ατμόσφαιρα αργού για τη διατήρηση ομογενούς μικροδομής. Τα ομογενοποιημένα κράματα υπέστησαν rolling ώστε να μειωθεί το πάχος τους κατα 96%. Τα δείγματα βυθίστηκαν σε υγρό άζωτο για περίπου δέκα λεπτά έπιτα απο κάθε επιτυχή έλαση ώστε να εξασφαλιστεί η παραμονή τους σε κρυογονική θερμοκρασία κατά την έλαση. Τα δείγματα υπέστησαν στη συνέχεια ανόπτηση σε διάφορες θερμοκρασίες που κυμαίνονται απο τους 150 έως τους 300 βαθμούς κελσίου με θερμοκρασική διαβάθμιση των 50 βαθμών για μία ώρα, ακολουθούμενη απο ψήξη στον αέρα ώστε να μελετηθεί η επίδραση της ανόπτησης σε χαμηλές θερμοκρασίες , σε μικροσκοπικό επίπεδο δομής και των μηχανικών ιδιοτήτων τους.

Έγινε σκληρομέτρηση Vickers με διάφορους διεισδυτές με εφαρμοζόμενο φορτίο 50g και χρόνο φόρτισης 15sec, και τουλάχιστον 20 μετρήσεις σε αριθμό διεξήχθησαν. Μονοαξονική δοκιμή εφελκυσμού σε θερμοκρασία περιβάλλοντος με ρυθμό παραμόρφωσης 10-4 s-1 έγιναν σε εφελκυόμετρο Shimazu AG-X. Τα δοκίμια για τον εφελκυσμό κόπηκαν σε σχήμα dog-bone με τη χρήση αποφόρτισης ηλεκτρικού φορτίου, απο τα επεξεργασμένα και ελασμένα φύλλα με μήκος 15mm και πάχος 5mm . Όλα τα δείγματα κόπηκαν κατα μήκος του άξονα έλασης τους και ο άξονας εφελκυσμού ήταν παράλληλος με τη διέυθυνση έλασης. Για να επαναληφθούν οι μετρήσεις και οι καμπύλες εφελκυσμού, τουλάχιστον τρία δείγματα για κάθε διαφορετική κατάσταση και σύσταση υπέστησαν δοκιμή. Οι μηχανικές ιδιότητες όπως η αντοχή στον εφελκυσμό (τάση θραύσης), η επιμήκυνση μέχρι την αστοχία, η ομοιόμορφη επιμήκυνση και ο συντελεστής ενδοτράχυνσης υπολογίστηκαν.

Ο δομικός χαρακτηρισμός και των δύο ελασμένων και ανοπτημένων δοκιμίων έγινε με τη χρήση περιθλασίμετρου ακτίνων-Χ με το όργανο Rigaku D/max-3B Xray, εξοπλισμένο με στόχο Cu και τάσης λειτουργίας 40kV στα 200mA. Έγινε χρήση του στάνταρ δείγματος πυριτίου για τη βαθμονόμηση του. Τα διαγράμματα επεξεργάστηκαν με την αφαίρεση του θορύβου και απομονώνοντας το σήμα Κα2. Η πλεγματική σταθερά, το μέγεθος κόκκων, η μικροπαραμόρφωση , η πυκνότητα διαταραχών και η πυκνότητα των διδυμιών μπορούν να

υπολογιστούν με την χρήση του νόμου του Bragg και τις κορυφές των (111), (200), (220), (331), και (222).

Η παρατήρηση του επιπέδου έλασης έγινε με τη χρήση του ΤΕΜ. Τα δείγματα εκλεπτήνθηκαν μηχανικά σε πάχος των 100μm και τελικά γυαλίστηκαν και στιλβώθηκαν με την καθιερωμένη μέθοδο twin jet polishing , χρησημοποιώντας ηλεκτρολύτη με 25% CH3CH2OH, 25% H3PO4 και 50% H2O στους 23 βαθμούς κελσίου στα 11.5V. Ο χαρακτηρισμός της μικροδομής έγινε με τη χρήση του FEI Technui G-2 TF30 S-Twin high-resolution TEM σε λειτουργία στα 300KV.

Αποτελέσματα

Η εικόνα 1 δείχνει τις καμπύλες μικροσκληρότητας Vickers συναρτήσι της θερμοκρασία ανόπτησης για τα τρία ελασμένα υπο κρυογονικές συνθήκες κράματα Cu-Al-Zn. Είναι ορατό ότι η μικροσκληρότητα του Cu-12.1%Al-4.1%Zn και Cu-4.3%Al-22.8%Zn αυξάνεται μετά απο την ανόπτηση στους 150 και στους 200 βαθμούς κελσίου για 1 ώρα και έπιτα μειώνεται για θερμοκρασίες 250 και 300 βαθμών κελσίου αντίστοιχα. Επιπρόσθετα η

υψηλότερη σκληρότητα επιτυγχάνεται στους 200 βαθμούς κελσίου. Παρ’ όλα αυτά τα δοκίμια Cu-2.5%Al-2.5%Zn μείωσαν τη σκληρότητά τους με την ανόπτηση στο θερμοκρασιακό εύροςτων 150-300 βαθμών. Η σκλήρυνση κατά την ανόπτηση συμβαίνει πιο αισθητά όταν το περιεχόμενο σε Al και Zn αυξάνεται. Αυτά τα στοιχεία δεν είναι μόνο τα συστατικά αλλά ο σημαντικότερος παράγοντας που επηρεάζει την ενέργεια των σφαλμάτων επιστοίβασης. Είναι προφανές ότι η διακύμανση της σκληρότητας των κραμάτων Cu

κατά την ανόπτηση είναι πιθανόν συνδεδεμένη με την συγκέντρωση των ατόμων στο διάλυμα η/και των SFEs.

Μηχανικές ιδιότητες κατά τον εφελκυσμό

Η εικόνα 2 δείχνει τις καμπύλες μηχανικής τάσης-παραμόρφωσης των κραμάτων Cu-Al-Zn στην ελασμένη κατάσταση, μετά απο διαδικασία ανόπτησης στους 150 εως 250 βαθμούς κελσίου για 1 ώρα. Η τάση διαρροής αυτών των δειγμάτων μειώνεται αφού φτάσουν στο μέγιστο μετά απο μια μικρή παραμόρφωση, έτσι η ομοιόμορφη επιμήκυνση είναι μικρή. Για το Cu-12.1%Al-4.1Zn , τα δείγματα εμφανίζουν ελαφρώς υψηλότερη αντοχή στον εφελκυσμό και μικρότερη επιμήκυνση μετά απο ανόπτηση στους 150 και 200 βαθμούς κελσίου και η μεγαλύτερη σκλήρυνση εμφανίζεται στους 200 βαθμούς κελσίου. Μετά απο ανόπτηση στους 250 βαθμούς η αντοχή του Cu-12.1%-4.1Zn μειώνεται. Για το Cu-4.3Al-22.8Zn μια αύξηση της αντοχής και μείωση της επιμήκυνσης μπορεί να παρατηρηθεί στα

δείγματα έλασης που έχουν υποστεί ανόπτηση στους 150 και στους 200 βαθμούς κελσίου και παρουσιάζουν ψαθηρή συμπεριφορά θραύσης αυτά των 200 βαθμών. Παρ’ όλα αυτά τα δείγματα εμφανίζοουν αξιοσημείωτη μείωση αντοχής και αύξηση ολκιμότητας απο ανόπτηση στους 250 βαθμούς κελσίου. Για το Cu-2.5%Al-2.5Zn με χαμηλότερο ποσοστό κραμάτωσης και τα υψηλότερα SFEs, τα ανοπτημένα δείγματα εμφανίζουν μείωση στην αντοχή στον εφελκυσμό και μια αύξηση στην επιμήκυνση, το οποίο είναι σύνηθες φαινόμενο μετά απο ανόπτηση στο βαθμό αυτό.

Η διακύμμανση στην μέγιστη αντοχή στον εφελκυσμό συναρτήσι της θερμοκρασίας ανόπτησης για τα διάφορα δείγματα συνοψίζεται στην εικόνα 2. Γενικά με την αύξηση της θερμοκρασίας ανόπτησης η μέγιστη αντοχή στον εφελκυσμό του Cu-12.1%Al-4.1%Zn και Cu-4.3%Al-22.8Zn αρχικά αυξάνεται και έπιτα μειώνεται , παρ’ όλα αυτά η μέση αντοχή στον εφελκυσμό του κράματος Cu-2.5%Al-2.5Zn μειώνεται συνεχώς. Μετά την ανόπτηση στους 200 βαθμούς κελσίουη η μέση αντοχή στον εφελκυσμό αυξάνεται απο 882MPa σε 914MPa για τα ελασμένα δείγματα κράματος Cu-12.1%Al-4.1Zn . Παρομοίως η μέση αντοχή στον εφελκυσμό των δειγμάτων Cu-4.3%Al-22.8%Zn ανοπτημένα στους 200 βαθμούς κελσίου αυξάνεται απο 839MPa σε 894MPa. Είναι εμφανές ότι μετά απο την ίδια κατεργασία έλασης η αύξηση της αντοχής των Cu-4.3%Al-22.8Zn είναι πιο έντονη απο αυτή των δειγμάτων Cu-12.1%Al-4.1Zn κατά την ίδια διαδικασία ανόπτησης.

Ανάλυση XRD

Τα μοτίβα του XRD για τα εν λόγω δοκίμια του Cu-12.1%Al-4.1%Zn και Cu-4.3%Al-22.8%Zn απεικονίζονται στην εικόνα 3. Φαίνεται ότι οι κρυσταλλικές δομές των κραμάτων ορίζονται ως fcc , οι κορυφές της καμπύλης περίθλασης, δείχνουν τον σχηματισμό της φάσης του στερεού διαλύματος. Οι κορυφές περίθλασης αλλάζουν για μικρότερες γωνίες, σε σύγκριση με τις κορυφές του καθαρού Cu , το οποίο δηλώνει ότι η πλεγματική σταθερά του στερεού διαλύματος είναι μεγαλύτερη απ αυτή του καθαρού Cu, εξαιτίας της πλήρους

διάλυσης των Al και Zn μέσα στο πλέγμα του καθαρού Cu. Επιπρόσθετα δεν εντοπίζεται δεύτερη φάση μετά την ανόπτηση σύμφωνα με τα μοτίβα της περίθλασης με XRD.

Το μέσο μέγεθος των κόκκων και της μικροπαραμόρφωσης μπορεί να υπολογιστεί απο την επέκταση της καμπύλης περίθλασης, μετά απο τη βαθμονόμιση του XRD με την χρήση στανταρ δείγματος. Η πλεγματική σταθερά μπορεί να εξαχθεί απο τις κορυφές της καμπύλης του XRD. Η πυκνότητα διαταραχών και διδυμιών καθορίστηκε απο την ανάλυση του προφίλ της καμπύλης του XRD. Η πυκνότητα διαταραχών ρ μπορεί να υπολογιστεί με τις μεταβλητές του μεγέθους κόκκων d, και της μικροπαραμόρφωσης <ε2> όπως παρακάτω:

όπου b είναι η απόλυτη τιμή του διανύσματος Burger. Για μέταλλα του fcc το , όπου α η πλεγματική σταθερά. Η πυκνότητα των διδυμιών ορισμένη ως η πιθανότητα εύρεσης μιας διδυμίας μεταξύ δύο οποιονδήποτε επιπέδων {111}, μπορεί να υπολογιστεί απο :

όπου ΔC.G.(2Θ) είναι οι γωνιακές διακυμάνσεις του κέντρου βάρους απο το μέγιστο των κορυφών της καμπύλης του XRD.

Οι παράμετροι της μικροδομής που πάρθηκαν απο την ποσοτική ανάλυση του XRD, των ελασμένων και ανοπτημένων κραμάτων Cu παρουσιάζονται στον πίνακα 1. Είναι ορατό ότι το μέσο μέγεθος των κόκκων των δειγμάτων παραμένει κυρίως το ίδιο μετά απο ανόπτηση στους 200 βαθμούς κελσίου για 1 ώρα. Επιπλέον η μικροπαραμόρφωση και η πυκνότητα διαταραχών μειώνεται μετά απο κατεργασία ανόπτησης λόγο ανάκτησης. Είναι αξιοσημείωτο ότι η πυκνότητα διδυμιών αυξάνεται μετά απο ανόπτηση το οποίο μπορεί ίσως να συνδεθεί με τον σχηματισμό διδυμιών ανόπτησης, εξαιτίας των χαμηλών SFEs των κραμάτων Cu-Al-Zn. Επιπλέον η πλεγματική σταθερά των κραμάτων Cu είναι μεγαλύερη απο αυτή του καθαρού Cu (0.3615 mm) υποδιλώνοντας την διάλυση του Al και Zn μέσα στο πλέγμα του Cu. Το κράμα Cu-4.3%Al-22.8%Zn με υψηλότερο ποσοστό κραμάτωσης έχει μεγαλύτερη πλεγματική σταθερά εξαιτίας μεγαλύτερης διάλυσης των ατόμων των

κραματικών στοιχείων. Μετά απο ανόπτηση , η πλεγματική σταθερά μειώνεται για τα κράματα Cu εξαιτίας του διαχωρισμού των συστατικών.

Παρατηρήσεις στο ΤΕΜ

Οι παρατηρήσεις της μικροδομής έγιναν σε ΤΕΜ για τα κράματα Cu σε κατάσταση έλασης και ανόπτησης στους 200 βαθμούς κελσίου για 1 ώρα. Για ποσοτική ανάλυση των στατιστικών κατανομής του μεγέθους κόκκων, περισσότερα απο 200 τυχαία επιλεγμένα δείγματα μετρήθηκαν για το κάθε δοκίμιο. Οι κόκκοι οι οποίοι χρησημοποιήθηκαν στην ανάλυση ήταν αυτοί οι οποίοι ήταν ξεκάθαρα διαχωρισμένοι με όρια. Τα μεγέθη κόκκων υπολογίστηκαν με τη μέθοδο της τομής γραμμής κατα μήκος τριών διευθύνσεων με διαφορά 120ο. Γενικά η μεγέθυνση και το μήκος μιας γραμμής δοκιμής , θεωρείται κατάλληλη για τη διασφάλιση ακριβών μετρήσεων. Το μήκος τομής, είναι η απόσταση μεταξύ δύο αντιπαρατηθέ-μενων, γειτονικών τεμνόμενων ορίων κόκκων, σε ένα τμήμα της γραμμής δοκιμής. Η διάμε-τρος του κόκκου είναι το μέσο μήκος τομής.

Η εικόνα 4. δείχνει τυπικές μικροδομές δοκιμίων Cu-12.1%Al-4.1%Zn που έχουν υποστεί

έλαση και ανόπτηση. Κατα την κρυογονική ελαση ,η ανάκτηση περιορίστηκε και η εξάλειψη των διαταραχών μεταξύ των ορίων των κόκκων διακόπηκε , οδηγώντας σε μεγάλη πυκνότητα διαταραχών, η οποία αυξάνει την τάση για ανάπτυξη και ανακρυστάλλωση στα δοκίμια κατά τη μεταγενέστερη ανόπτηση. Όπως φαίνεται στην εικόνα 4, η μικροδομή μετά απο έλαση, συντίθεται κυρίως απο ισοαξονικούς κόκκους με ακανόνιστα διατεταγμένα και δυσκόλως οριζόμενα όρια, υποδηλώνοντας μια κατάσταση υψηλής ενέργειας εκτός ισορροπίας με υψηλές εσωτερικές τάσεις και μεγάλη πυκνότητα διαταραχών. Το μέσο μέγεθος κόκκων είναι περίπου 30nm, το οποίο είναι μεγαλύτερο απο αυτό που υπολογίστηκε απο την ανάλυση του XRD εξαιτίας των ορίων που θέτει η χρήση της επιμήκυνσης της γραμμής της καμπύλης που δρα συγκεντρωτικά. Επιπρόσθετα μηχανικές διδυμίες με καθορισμένα όρια εντοπίζονται σε κάποιους κόκκους. Μετά απο ανόπτηση στους 200 βαθμούς κελσίου για 1 ώρα, τα όρια των κόκκων γίνοντα διακριτά και η πυκνότητα διαταραχών μειώνεται όπως δείχνει και η εικόνα 4c το οποίο μπορεί να συνδεθεί με την ανακούφιση των ορίων κόκκων και εσωτερικών τάσεων.

Στην εικόνα 4d το μέσο μέγεθος των κόκκων είναι 34nm. Η ανόπτηση οδηγεί σε μεγαλύτερη κατανομή μεγεθών και σε ελαφρώς μεγαλύτερο μέσο μέγεθος κόκκων. Φαίνονται έντονα πολλές παράλληλες λορίδες στους περισσότερους κόκκους του ανοπτημένου δείγματος. Παρατήρηση σε ΤΕΜ υψηλής ανάλυσης αποκαλύπτει ότι αυτές οι παράλληλες λορίδες είναι διδυμίες ανόπτησης σε νανοκλίμακα και σφάλματα επιστοίβασης σε μορφή δέσμης όπως φαίνεται και στην εικόνα 4e . Τεκμηριώνεται λοιπόν ότι ένας μεγάλος αριθμός διδυμιών ανόπτησης και σφαλμάτων επιστοίβασης δημιουργούνται σε κράματα Cu με χαμηλή (ενέργεια σφαλμάτων επιστοίβασης) SFE κατα τη διαδικασία της ανόπτησης.

Η εικόνα 5 δείχνει τυπικές μικροδομές του Cu-4.3%Al-22.8Zn που έχει εκτεθεί σε έλαση και ανόπτηση. Όπως διακρύνεται στην εικόνα 5α υψηλή πυκνότητα διασταυρωμένων διαταραχών μπορεί να παρατηρηθεί μέσα στους <<υποκόκκους>> και στα τοιχώματα των κελιών σαν όρια κόκκων του ελασμένου δείγματος. Μετά την ανόπτηση οι κόκκοι είναι σχετικά καθαροί με λιγότερες διαταραχές μέσα τους (εικόνα 5c). Επιπλέον διδυμίες διατα-ραχών και σφάλματα επιστοίβασης, επίσης παρατηρούνται στο ανοπτημένο δείγμα. Το μέσο μέγεθος κόκκων στις εικόνες 5b και 5d είναι 37nm και 38nm αντίστοιχα, δείχνοντας μικρότερη ανάπτυξη των κόκκων μετά την ανόπτηση.

.

Οι τυπικές μικροδομές των ελασμένων και ανοπτημένων δειγμάτων των Cu-2.5%Al-2.5%Zn όπως φαίνεται στην εικόνα 6α και 6c υποδεικνύει μειωμένη πυκνότητα διαταραχών και μόνο λίγες διδυμίες ανόπτησης μετά απο αυτή. Το μέσο μέγεθος των κόκκων των ελασμένων και ανοπτημένων δειγμάτων στις εικόνες 6b και 6d είναι 69nm και 74nm αντίστοιχα. Έτσι μερικοί κόκκοι αναπτύσσονται κατα τη διάρκεια της ανόπτησης σε χαμηλή θερμοκρασία ενω οι περισσότεροι παραμένουν σε κλίμακα νανομέτρου.

Ανάλυση και συζήτηση

Όπως περιγράφηκε προηγουμένως το κράμα Cu-2.5%Al-2.5%Zn παρουσιάζει συνήθως συμπεριφορά μείωσης της σκληρότητας κατά την ανόπτηση το οποίο οφείλεται στην αύξηση μεγέθους των κόκκων και στην μείωση της πυκνότητας διαταραχών κατα τη θέρμανση. Παρ’ όλα αυτά για το Cu-12.1%Al-4.1%Zn και Cu-4.3%Al-22.8%Zn η διαδικασία ανόπτησης κάτω απο τη θερμοκρασία ανακρυστάλλωσης μπορεί να οδηγήσει σε μεγαλύτερη αντοχή και χαμηλότερη ολκιμότητα σε σύγκριση με την περίπτωση των ελασμένων δειγμάτων. Οι παράγοντες που επηρεάζουν την διακύμανση της αντοχής και της σκληρότητας αυτών των δύο κραμάτων κατα την ανόπτηση αναλύονται παρακάτω.

Απο παρατηρήσεις ενός μεγάλου αριθμού φωτογραφιών ΤΕΜ , αμέτρητες διδυμίες ανόπτησης και σφαλμάτων επιστοίβασης συμβαίνουν στα δύο κράματα με χαμηλές SFEs κατα την ανόπτηση, το οποίο μπορεί να προκύπτει απο την πυριηνοποίηση ημιβρόγχων Snockley σε συνεχή επίπεδα {111}, πολλαπλασιάζοντας βαθμιδωτά τα σφάλματα επιστοίβασης. Ο σχηματισμός διδυμιών ανόπτησης μπορεί συχνά να παρατηρηθεί σε παραμορφωμένα και ακολούθως ανοπτημένα υλικά του fcc με χαμηλές εως μέτριες SFEs στο στάδιο της ανάκτησης και της ανακρυστάλλωσης. Έχει βρεθεί ότι η πυκνότητα των διδυμιών ανόπτησης βασίζεται στην ενέργεια των ορίων κόκκων και στην παραμόρφωση που προηγείται πριν την θερμική κατεργασία. Έτσι η βαριά και σημαντική έλαση σε κρυογονικές συνθήκες πριν την θερμική κατεργασία βοηθάει στον σχηματισμό διδυμιών ανόπτησης και σφαλμάτων επιστοίβασης. Όπως και στα όρια κόκκων, αυτά τα όρια διδυμιών και σφαλμάτων επιστοίβασης θα ενεργήσουν ως φράγματα για την κίνηση των διαταραχών κατα την πλαστική παραμόρφωση. Κατα συνέπεια διδυμίες ανόπτησης, σφάλματα επιστοίβασης και η μεταξύ τους αλληλεπίδραση μπορούν να βελτιώσουν την αντοχή των κραμάτων.

Επιπλέον, μετά την ανόπτηση κατα τις ίδιες συνθήκες το κράμα Cu-4.3%Al-22.8%Zn με μεγαλύτερο διαλυμένο περιεχόμενο σε Zn παρουσιάζει πιο έντονη σκλήρυνση κατα την ανόπτηση σε σχέση με το Cu-12.1%Al-4.1%Zn . Αυτό μπορεί να είναι στενά συνδεδεμένο με το γενογός οτι αυξάνοτας τα στοιχεία κραμάτωσης μπορεί να βοηθήσει το διάλυμα να διαχωριστεί σε σημία πλεγματικών ατελειών και να μειώσει τον ρυθμό ανάκτησης και εξάλιψης των διαταραχών κατα την ανόπτηση. Όπως αναφέρθηκε στον πίνακα 1, οι πλεγματικές παράμετροι μειώνονται κατα 0.0003 και 0.00003 nm μετά την ανόπτηση για το Cu-4.3%Al-22.8%Zn και το Cu-12.1%Al-4.1%Zn , αντίστοιχα. Η μείωση στις πλεγματικές παραμέτρους των κραμάτων Cu μετά την ανόπτηση μπορεί να εξηγηθεί απο το διαχωρισμό φάσεων. Έτσι οι πλεγματικές παράμετροι του Cu-4.3%Al-22.8%Zn με μεγαλύτερο ποσοστό διαλυμένων στοιχείων, μειώνονται πιο αισθητά, υποδηλώνοντας πιο έντονο διαχωρισμό των διαλυμένων ατόμων στα όρια κόκκων, που μπορεί να επάγει ισχυρή ψαθυροποίηση και κατώτερη ολκιμότητα. Η μείωση στην επιμήκυνση του Cu-12.1%Al-4.1%Zn και η ψαθυρή θραύση του Cu-4.3%Al-22.8%Zn μετά απο ανόπτηση στους 200 βαθμούς κελσίου, συγκεκριμένα, δηλώνει ότι ο διαχωρισμός όντως γίνεται στα όρια των κόκκων. Επιπρόσθετα, οι προηγούμενες μελέτες με τη χρήση εφαρμογής τάσης για την ανακούφιση εσωτερικών τάσεων έδειξε ότι ο διαχωρισμός των ατόμων στο στερεό διάλυμα, είναι ένας εκ των μηχανισμών για το φαινόμενο της σκλήρυνσης κατα την ανόπτηση. Ο διαχωρισμός των διαλυμένων ατόμων, μπορεί επίσης να εμφανιστεί σε διαταραχές, σφάλματα επιστοίβασης, σε διδυμίες κοκ. Εν κατακλείδι τα άτομα του διαλύματος μπορούν να οπισθοδρομήσουν την κίνηση των πλεγματικών ατελειών, όπως διαταραχών και ορίων κόκκων , έτσι μπορούν να εμποδίσουν την ανάπτυξη των κόκκων και να ενισχύσουν την αντοχή. Η διάλυση των ατόμων στις διαταραχές -ανάλογα με τον σχηματισμό του περιβάλλοντος Cottrel σε ενδιάμεσα στερεά διαλύματα- μειώνει την κίνηση των διαταραχών, οδηγώντας σε ενίσχυση. Παρομοίως ο διαχωρισμός των ατόμων της διαλυμένης ουσίας σε μεγάλο εύρος περιοχών σε σχήμα κορδέλας, σφαλμαάτων επιστοίβασης , επίσης οδηγέι σε σκήρυνση. Επιπλέον διαχωρισμός των ατόμων της διαλυμένης ουσίας στα όρια των κόκκων μπορεί να μειώσει την ενέργεια των ορίων κόκκων, και να μειώσει την επίδραση τοπικών τάσεων γύρω απο τα όρια

αυτά, το οποίο αυξάνει τις απαιτούμενες τάσεις για την έναρξη πλαστικής παραμόρφωσης που οφείλεται στα όρια κόκκων, σε νανοδομημένα κράματα.

Φανερά μετά την ανόπτηση στους 200 βαθμούς κελσίου, η οποία είναι χαμηλότερη απο τη θερμοκρασία ανακρυστάλλωσης, αυτά τα δύο κράματα δεν παρουσιάζουν ανάπτυξη κόκκων, αλλά μείωση εσωτερικών τάσεων, εξαιτίας της διαδικασίας ανόπτησης που ανακουφίζει τα όρια κόκκων μη ισορροπίας. Η πυκνότητα των διαταραχών μειώνετε κατα κάποιο τρόπο , αλλά οι διδυμίες και τα σφάλματα επιστοίβασης που προκύπτουν κατα την ανόπτηση, όπως και ο διαχωρισμός των διαλυμένων ατόμων, μπορουν να παρατηρηθούν . Έτσι η μειωμένη πυκνότητα διαταραχών μπορεί να μειώσει τα επίπεδα αντοχής , αλλά αυτό επι-σκιάζεται με την αύξηση της αντοχής απο το σχηματισμό αμέτρητων διδυμιών ανόπτησης, σφαλμάτων επιστοίβασης και διαχωρισμό διαλυμένων ατόμων των κραματικών στοιχείων.

Συμπεράσματα

Σε αυτή την εργασία μελετήθηκε συστηματικά, η επίδραση της κατεργασίας σε κρυογονική θερμοκρασία, στις μηχανικές ιδιότητες και μικροδομές των νανοδομημένων κραμάτων Cu-Al-Zn που παρήχθησαν απο βαριά και έντονη έλαση σε κρυογονικές συνθήκες. Για τα ελασμένα κράματα Cu-12.1%Al-4.1%Zn και Cu-4.3%Al-22.8%Zn , η ανόπτηση στους 150 και στους 200 βαθμούς κελσίου για 1 ώρα οδήγησε σε αύξηση της αντοχής και μείωση της ολκιμότητας. Μπορεί να υποτεθεί απο τις μηχανικές δοκιμές και την παρατήρηση των μιρκοδομών τους , οτι η μη φυσιολογική σκλήρυνση κατα την ανόπτηση των νανοδομημένων κραμάτων Cu με υψηλό ποσοστό κραμάτωσης, και γι’ αυτό λίγων SFEs , μπορεί να οφείλεται σε μεγάλο ποσοστο διδυμιών ανόπτησης και σφαλμάτων επιστοίβασης,ταυτόχρονα με το διαχωρισμό διαλυμένης ουσίας που συμβαίνει σε συγκεκριμένο εύρος θερμοκρασιών ανόπτησης. Τα ελασμένα κράματα Cu-2.5%Al-2.5%Zn παρουσίασαν συνήθη μείωση σκληρότητας μετά απο ανόπτηση στους 150 έως 300 βαθμούς κελσίου για 1 ώρα, εξαιτίας της ανάπτυξης κόκκων και της μείωσης της πυκνότητας διαταραχών.

Βιβλιογραφία