سبائك المغنيسيوم ، والحدود المزدوجة والفصل

في عام 1903 البعيد ، بنى الأخوان رايت سيئة السمعة أول طائرة مزودة بمحرك. معظم هذه الآلة المذهلة كانت مصنوعة من شجرة التنوب. الآن الطائرات الخشبية هي معروضات للمتحف ، ولكن في ذلك الوقت تم تبرير استخدام هذه المواد من خلال قوتها وخفة وزنها.

الآن في مجال الطيران وبناء السفن وغيرها من الصناعات يتم استخدام مواد أكثر تعقيدًا ، من بينها السبائك القائمة على المغنيسيوم بعيدة عن الأخيرة. على الرغم من جميع مزاياها ، فإن هذه السبائك لها عدد من العيوب التي تحول دون تطبيقها على نطاق أوسع. سنلتقي بكم اليوم دراسة اكتشف فيها علماء من جامعة موناش (ملبورن ، أستراليا) طريقة جديدة لإنشاء سبيكة مغنيسيوم أكثر متانة وخفيفة الوزن. كيف نجحوا ، وما هي الخصائص الفيزيائية والكيميائية الجديدة التي تم الكشف عنها ، وما هو الدور الذي لعبته خرائط الأشعة السينية في هذا العمل؟ سوف نجد إجابات لهذه الأسئلة في تقرير مجموعة الأبحاث. دعنا نذهب.

قليلا من التاريخ

في شكله النقي ، تم عزل المغنيسيوم لأول مرة في عام 1828 من قبل الكيميائي الفرنسي أنطوان بوسي. ولكن هذا ليس أول ظهور للمغنيسيوم في تاريخ البشرية. في عام 1695 ، في بلدة إبسوم (إنجلترا) ، تم عزل الملح عن المياه المعدنية ، والتي تعرف الآن باسم هيبتاهيدرات سلفات المغنيزيوم (MgSO ₄ · 7H ₂ O). كانت هذه المادة مريره جدًا وذات خصائص ملينه ، والتي تم تحديدها على ما يبدو بالطريقة الوحيدة الممكنة آنذاك - في الممارسة العملية. بعد ما يقرب من 100 عام في عام 1792 ، تمكن أنطون فون روبريخت من عزل مادة MgO التي أطلق عليها اسم النمسا. النمسا ، كما اتضح ، مغنيسيوم ، ولكن بدرجة نقاوة منخفضة للغاية. وفي عام 1828 ، تمكنت Bussy من الحصول على المغنيسيوم النقي ، واستعادة كلوريدها المنصهر بالبوتاسيوم المعدني. بعد ذلك بقليل ، في عام 1830 ، تلقى مايكل فاراداي من خلال التحليل الكهربائي لكلوريد المغنيسيوم المنصهر (MgCl ₂ ) المغنيسيوم النقي (Mg).


أنطوان بوسي

ومع ذلك ، اكتسب المغنيسيوم أهمية صناعية فقط في أوائل الثلاثينات من القرن العشرين ، وبعد ذلك نما إنتاج السبائك التي تعتمد عليها باستمرار.

قراءة المزيد عن سبائك المغنيسيوم هنا .

في الهندسة الحديثة ، تستخدم سبائك المغنيسيوم على نطاق واسع ، ولكن يمكن توسيع نطاق تطبيقاتها ، كما يقول الباحثون.

في عملهم ، أظهروا القدرة على تصور الفصل * في سبائك المغنيسيوم من خلال تطبيق التحليل الطيفي للأشعة السينية بتشتت الأشعة السينية عند جهد كهربائي أقل بكثير مما كان يعتقد سابقًا. يبرهن العلماء أيضًا على فصل المفصل عند حدود الحبوب التوأم * في سبيكة مغنيسيوم بمواد كبيرة وصغيرة مذابة تشكل أعمدة بديلة تشغل تمامًا الحدود التوأم * .

الفصل * - تغيير في الحالة المادية لوسيط غير متجانس.

حدود الحبوب * هي الواجهة بين حبيبتين في مادة متعددة الكريستالات.

حدود التوائم * - الواجهة بين شطري البلورة ، والتي تعكس بعضها البعض.

بشكل عام ، توضح هذه الدراسة أن التحليل الذري لهيكل المواد المذابة في سبائك المعادن والتركيب الكيميائي لها تركيبة معقدة أكثر من الممكن.

أساس الدراسة

يلاحظ العلماء أن حدود الحبوب تلعب دورًا مهمًا في التحكم في الخواص الميكانيكية للعديد من المواد متعددة البلورات ، وخاصة سبائك المغنيسيوم الخفيفة. أكبر عقبة أمام استخدام المغنيسيوم على نطاق أوسع في صناعة الطيران والسيارات هو صعوبة السيطرة على التشوه أثناء العمليات الحرارية الميكانيكية.

في الوقت الحالي ، من المعروف أن إضافة عناصر الأرض النادرة (RE) إلى سبيكة المغنيسيوم يؤدي إلى إضعاف كبير في نسيج إعادة التبلور. وإضافة مزيج من عناصر الأرض النادرة وغير النادرة يمكن أن يؤدي إلى نسيج أضعف من إعادة التبلور.

بالإضافة إلى ذلك ، تؤدي إضافة الطاقة المتجددة إلى عدد كبير من توائم التشوه ، والتي توفر المزيد من مواقع النواة لحبوب إعادة التبلور ذات الاتجاه العشوائي.

يلاحظ الباحثون أن الجمع بين الذرات الكبيرة والصغيرة من عناصر السبائك المقابلة يمكن أن يؤدي إلى نسيج أضعف بكثير وقابلية أفضل للتشكيل * من خلال زيادة فصل المفصل.

القابلية للتشكيل * - قدرة مسحوق المعدن على الحصول على شكل معين والمحافظة عليه تحت تأثير الضغط والجاذبية المطبقين.

ومع ذلك ، لا يمكن إجراء الحصول على معلومات كافية بشأن هذه العمليات وتأثيرها على الهيكل العام للسبائك على مستوى دقيق بما فيه الكفاية دون بيانات تجريبية على النطاق الذري لهيكل السبائك ، والتركيب الكيميائي للحدود المزدوجة ، إلخ.

لحل هذه المشكلة ، يمكن استخدام PEM - مجهر إلكترون لمسح الإرسال مزود بمنظم انحراف كروي. يسمح لك هذا الجهاز بمراقبة توزيع الذرات الثقيلة باستخدام تقنية التصور المرتكزة على التباين Z ، وكذلك الذرات الأخف (الأكسجين أو الليثيوم أو الهيدروجين) من خلال التصور الميداني الساطع للحلقة.

ومع ذلك ، فإن تحليل مثل هذه الصور على النقيض من Z يصبح مشكلة عندما يكون للسبائك عدة عناصر صناعة السبائك * .

عنصر صناعة السبائك * - عنصر يضاف إلى المعدن ويبقى فيه ، مع تغيير هيكله وتركيبه الكيميائي.

بالطبع ، من الممكن دراسة كيمياء الحدود بين الحبوب باستخدام التصوير المقطعي الذري ، لكن من الصعب للغاية تحديد موقع ذرة المادة الذائبة على الحدود بالتفصيل.

هناك مشكلة أخرى في دراسة عناصر صناعة السبائك في السبائك الضوئية وهي أن الفصل يتلف بواسطة شعاع إلكتروني. بالنسبة لسبائك المغنيسيوم ، تكون هذه المشكلة حادة بشكل خاص عندما تتحول ذرات الفصل المنفصلة للمادة الذائبة إلى عمود ذري ​​واحد.

ومع ذلك ، لا تيأسوا ، لأن الباحثين في عملهم وجدوا طريقة لحل هذه المشكلة. كل ما نحتاج إليه هو التحليل الطيفي للأشعة السينية المشتت من الطاقة بجهد أقل بكثير.

باستخدام هذه الطريقة ، تمكن العلماء من اكتشاف نمط الفصل المشترك للعناصر المذابة في الحدود المزدوجة ، وكذلك آلية ترحيل الحدود المزدوجة.

كان موضوع الاختبار في هذه الدراسة سبيكة Mg-RE-Ag ، التي لها خصائص ميكانيكية ممتازة في درجات حرارة الغرفة وفي درجات حرارة مرتفعة. من المهم أن يكون للـ Nd حجم ذري أكبر من Mg ، لكن Ag له حجم ذري أصغر من Mg.

بالنظر إلى أن Nd و Ag لديهم أعداد ذرية أعلى في الجدول الدوري ، فهي غير مناسبة للتصوير التبايني Z. أي أنه لا يمكن الكشف عن توزيعها على مقياس ذري إلا باستخدام EDS.

نتائج البحوث

الصورة رقم 1

تُظهر الصور 1 أ و 1 ب صور PEM ذات المجال المظلم من (1012) حدودًا ثنائية في عينة مشوهة ومصلبة. جميع الأعمدة الذرية داخل هذا الحد تظهر تباينًا أكثر إشراقًا من الأعمدة في المصفوفة أو التوأم. نظرًا لأن سطوع العمود الذري الفردي في صورة PEM ذات المجال المظلم يتناسب تقريبًا مع مربع العدد الذري المتوسط ​​، يشير التباين الأكثر إشراقًا إلى إثراء المادة الذائبة. في الوقت نفسه ، يصعب تحديد الأعمدة الساطعة الفردية التي تكون غنية - Nd أو Ag أو كلاهما ، لأن الأعداد الذرية Nd (60) و Ag (47) أعلى من الميجان (12). لهذا السبب ، تقرر تطبيق القرار الذري EDS.

توضح الأشكال 1 ج - 1 هـ صور EDS للحدود التوأم الموضحة في 1 ب . تم الحصول على هذه البيانات باستخدام الجهد أقل بكثير (120 كيلو فولت) من هذا النوع من المجهر (300 كيلو فولت) يتطلب عادة.

تشير صور EDS بوضوح إلى أن ذرات Nd منفصلة بشكل منفرد في أماكن التمدد (الدوائر من 1b إلى 1e ) ، لكن ذرات Ag تتركز بشكل حصري في أماكن الضغط. يختلف نمط الفصل المماثل عن ذلك الذي لوحظ في سبائك Mg-Gd-Zn ، حيث تتركز ذرات أكبر وأصغر من المذاب فقط في أماكن التمدد.

وقد وجد أيضًا أنه مع الإشعاع الإلكتروني المستمر ، تكون الأعمدة الذرية المخصب بـ Nd أكثر ثباتًا من الأعمدة المخصبة في Ag. لهذا السبب ، فإن جودة صور EDS لـ Nd أفضل من جودة Ag.

بعد ذلك ، كان من الضروري تحديد موقع ذرات الفصل المشترك للمادة الذائبة. لهذا ، درس العلماء الحدود التوأم المنفصلة (1012) على طول الاتجاه التوأم (1011).

عند عرضه على طول (1011) ، يُظهر التوأم والمصفوفة إسقاطات متطابقة للأعمدة الذرية ، وأنماط الحيود لهاتين البلورتين متطابقة أيضًا. وهذا يجعل من الصعب دراسة حدود التوائم على المستوى الذري. لكن الفصل بين ذرات العنصر الذائب يجعل من الممكن مراقبة حدود التوائم مباشرة في صور PEM ذات المجال المظلم ( 1f - 1g ).

جميع الأعمدة في الحدود المزدوجة تظهر تباينًا أكثر إشراقًا ، مما يشير إلى الإثراء بالمذاب على طول الاتجاه المدروس. ومرة أخرى ، على الرغم من صعوبة التمييز بين Nd و Ag في صور PEM ، فإن صور EDS المقابلة ذات الدقة الذرية تشير بوضوح إلى أن كل عمود ذري ​​يحتوي على ذرات Nd و Ag ( 1h - 1j ).

بدمج البيانات من صور PEM و EDS للاتجاهين المتعامدين المذكورين أعلاه ، كان من الممكن الحصول على توزيع ذرات Nd و Ag ضمن (1012) الحدود المزدوجة ( 1 كيلو ). على طول الاتجاه (1210) المقابل للسهم الأزرق في الرسم التخطيطي ، يحتوي كل عمود ذري ​​على ذرات Nd أو Ag. وعلى طول الاتجاه (1011) ، أي يتم توزيع ذرات السهم الأحمر و Nd و Ag بالتناوب في كل عمود.

تُظهر الصورة 1l بشكل تخطيطي طبقات الفصل على طول (1210) و (1011). تم إجراء المحاكاة أيضًا ، وكانت نتائجها متوافقة تمامًا مع البيانات التجريبية ( 1n - 1o ).


الصورة رقم 2

كما لوحظت ظاهرة الفصل المشترك (الفصل المشترك) عند الحدود التوأم (1011). تُظهر الصورة 2 أ صورة PEM (1011) للحدود التوأم في عينة مشوهة ومصلبة. كما في الملاحظات السابقة ، تمتلئ مواقع التوسع ومواقع الضغط بالمذاب. تفصل ذرات Nd في مواقع التمدد ، و ذرات Ag في مواقع الانضغاط ( 2b - 2e ). وبالتالي ، هناك نمط فصل مماثل لتلك الموجودة في (1012) الحدود التوأم.


الصورة رقم 3

بعد ذلك ، أجرى العلماء حسابات من أجل تحديد مصدر هذه الصورة غير العادية لفصل المفاصل ، عندما تحتل الأعمدة المتناوبة للذرات الكبيرة والصغيرة من المواد الذائبة الحدود الكاملة للتوائم.

توضح الرسوم البيانية أعلاه الطاقات النسبية المحسوبة لمجموعة من الدرجات (الكسور) من المذاب في الحدود (1012) و (1011) التوأم.

بالنسبة للحدود (1012) ، يمكن ملاحظة أنه بالنسبة إلى مكان التوسيع ، فإن الأكثر ملاءمة هو ملء العمود بالذرات الثانية في الاتجاه (1210) ( 3a ). في الملاحظات السابقة ، تفصل ذرات المذاب الكبيرة والصغيرة في مواقع التمدد فقط ، لكننا نرى هنا وجود ذرات Nd و Ag مختلطة في عمود واحد من موقع التمدد ، مما يؤدي إلى زيادة الطاقة.

لوحظ انخفاض كبير في الطاقة إذا تم احتلال موقع الضغط تمامًا بواسطة ذرات Ag (الخط المتقطع عند 3a ) ، وهو ما يتمشى مع النتائج التجريبية.

يوضح الرسم البياني 3b مستويات الطاقة في موقع الضغط. هنا ، يتم ملاحظة الحد الأدنى لمستوى الطاقة أيضًا إذا كان موقع الضغط مشغولًا تمامًا بواسطة ذرات Ag وموقع التوسيع بواسطة ذرات Nd.

بالنسبة للحدود (1011) ، يمكن ملاحظة أن السيناريو الأكثر ملاءمة هو ملء موقع الضغط مع ذرات Ag ، ومواقع التوسيع باستخدام ذرات Nd ( 3c - 3d ).


الصورة رقم 4

كانت الخطوة التالية في دراسة الفصل المشترك هي تحديد آليات هجرة حدود التوأم ، والتي تمت من خلال العمليات الحسابية (الصورة رقم 4).

تجدر الإشارة إلى أن وجود Nd و Ag على الحدود الثنائية يؤدي إلى تغيير في آلية الهجرة الحدودية من النظام المقبول عمومًا إلى نظام جديد تمامًا.

تتصرف الذرات داخل المستوى الحدودي للتوائم وأقرب الطائرات المجاورة لها (الأولى والثانية) بشكل مختلف عند تطبيق إجهاد القص الخارجي. في الحالة التي لا يوجد فيها فصل للمادة الذائبة ( 4 أ ) ، فإن الزاوية α المرتبطة بالحد المزدوج الأولي تقل تدريجيا مع زيادة في إجهاد القص بسبب حقيقة أن ذرات المغنيسيوم لموقع الضغط © تتحرك في الاتجاه المعاكس من ذرات المغنيسيوم لموقع التمدد (E) . زاوية α تنخفض من 180 درجة إلى 164 درجة. في هذا الوقت ، تزداد الزاوية β المرتبطة بالطبقة القديمة إلى 180 درجة وتصبح الطائرة التالية للحدود المزدوجة النازحة ( 4b ). هناك أيضًا تغيير طفيف في الزاوية γ المرتبطة بالطبقة الأولى.

مثل هذا التقليب المتزامن للذرات يؤدي إلى آلية ترحيل الحدود المزدوجة ، والتي تتضمن تكوين توقف عن طبقتين (1012). ومع ذلك ، عندما تكون Nd و Ag موجودة عند الحدود المزدوجة ( 4c ) ، يتم تقليل آلية خلط الأوراق.

مع زيادة في إجهاد القص المطبق ( 4d ) ، تظل الزاوية α قريبة من 180 درجة وتمنع حركة خلط الأوراق في أماكن الضغط والتوسع ، والتي تحدث عندما تزداد الزاوية with مع الضغط المطبق في حالة عدم وجود مادة مذابة.

في حين تبقى الزاويتان α و unc دون تغيير نسبيًا مع زيادة إجهاد القص ، تزداد الزاوية with مع الضغط المطبق بسبب حركة ذرة المغنيسيوم في الاتجاه المعاكس للذريتين المجاورتين في الطبقة الأولى. ونتيجة لذلك ، تصل الزاوية 180 180 درجة وتصبح الطائرة التالية للحدود النازحة للتوائم.

تختلف آلية ترحيل الحدود الثنائية عبر طبقة واحدة (بدلاً من طبقتين) اختلافًا كبيرًا عن آلية الترحيل ، حيث لا يوجد فصل للمذاب ( 5 أ ).

لتحديد الخصائص العامة لآلية الترحيل الموصوفة أعلاه ، تم حساب الحالات التي حدث فيها الفصل عند الحدود الثنائية مع ذرات Nd أو ذرات Ag ، أي في نظام من السبائك المزدوجة.

في حالة وجود Nd ( 4e ) فقط عند الحدود المزدوجة ، يشبه الميل لخلط الذرات الاتجاه الذي لوحظ في وجود Nd و Ag عند الحدود الثنائية ( 4d ). لا تتغير الزاويتان α و ically عمليًا ، وتزداد الزاوية with مع زيادة إجهاد القص ( 4f ).

اقترح العلماء أن هذه الآلية الجديدة للهجرة يمكن أن تحدث في سبائك المغنيسيوم التي تحتوي على عناصر أرضية نادرة أو غيرها من الشوائب التي تكمّل المغنيسيوم - Nd. يتضح هذا أيضًا من حقيقة أن آلية الهجرة عبر الحدود في حالة وجود Ag ( 4g ) حصريًا على الحدود المزدوجة هي نفسها في حالة عدم وجود فصل للمواد المذابة ( 4 ب ).

عندما تتغير زوايا المستوى الأصلي للحدود والطبقة الثانية بسبب زيادة في إجهاد القص ، تتغير الزاوية γ المرتبطة بالطبقة الأولى قليلاً ( 4 ساعات ).


الصورة رقم 5

هناك أيضًا نظرية مفادها أن الفصل المشترك لذرات Nd و Ag عند الحد المزدوج يمكن أن يقلل بشكل كبير من حركة هذه الحدود. من الناحية الديناميكية الحرارية ، يمكن لفصل المادة المذابة أن يقلل من طاقة الحدود ، وبالتالي يزيد من الاستقرار ويقلل في نفس الوقت من حركة الحد المزدوج. من الناحية الحركية ، سيكون لفصل المادة المذابة عند الحدود المزدوجة تأثير الارتباط أو المقاومة لهجرة الحدود.

يظهر الإجهاد المحسوب كدالة لمنحنى الإجهاد لحد (1012) للتوائم مع / بدون ذرات Nd و Ag منفصلة في الرسم البياني 5b .

في حالة عدم وجود الفصل بين المادة المذابة ، أي المغنيسيوم فقط ، يبدأ الحد المزدوج في الهجرة عند إجهاد القص فوق 116 ميجا باسكال. عندما تمتلئ حدود التوائم بـ Nd و Ag ، يتم ملاحظة تغير كبير في إجهاد القص وظهور حد الإجهاد المرن.

للتعرف أكثر تفصيلاً على الفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصي بأن تنظر في تقرير العلماء ومواد إضافية إليه.

خاتمة

في هذه الدراسة ، تمكن العلماء من إثبات إمكانية دراسة التركيب والتركيب الكيميائي لحدود التوائم في سبائك المغنيسيوم على المستوى الذري ، والتي كانت تعتبر في السابق شبه مستحيلة. مكنت التقنية التي اكتشفوها من اكتشاف نمط فصل غير عادي يؤدي إلى تأثير قوي على الواجهات ، وآلية ترحيل لم تتم دراستها من قبل.

توفر بيانات الفصل صورة أكثر دقة للاستقرار الحراري وتنقل الواجهات داخل السبائك ، مما يؤثر بشكل كبير على خصائصها ككل.

وهكذا ، تمكن العلماء من دراسة بمزيد من التفصيل ما تم استخدامه منذ عقود. تسمح لنا دراسة الخصائص والعمليات والظواهر الخفية بتوسيع فهمنا لهذا الكائن أو ذاك ، سواء كان عنصرًا واحدًا أو سبيكة.

شكرا لك على اهتمامك ، ابقَ فضوليًا ولديك أسبوع عمل جيدًا يا شباب! :)

شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30 ٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من خوادم الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1 جيجابت في الثانية من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).

ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ فقط لدينا 2 من Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6 جيجا هرتز 14 جيجا بايت 64 جيجا بايت DDR4 4 × 960 جيجا بايت SSD 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 199 دولار في هولندا! Dell R420 - 2x E5-2430 سعة 2 جيجا هرتز 6 جيجا بايت 128 جيجا بايت ذاكرة DDR3 2x960GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 تيرابايت - من 99 دولارًا! اقرأ عن كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟