Paduan magnesium, batas kembar, dan pemisahan

Di kejauhan tahun 1903, Wright bersaudara yang terkenal membangun pesawat pertama yang dilengkapi dengan mesin. Sebagian besar mesin luar biasa ini terbuat dari pohon cemara. Sekarang pesawat kayu adalah pameran museum, tetapi pada saat itu penggunaan bahan ini dibenarkan oleh kekuatan dan ringannya.

Sekarang di dunia penerbangan, pembuatan kapal, dan industri lainnya bahan yang jauh lebih kompleks digunakan, di antaranya paduan berbasis magnesium jauh dari yang terakhir. Terlepas dari semua kelebihannya, paduan ini memiliki sejumlah kelemahan yang mencegah aplikasi lebih luas. Hari ini kami akan bertemu dengan Anda sebuah studi di mana para ilmuwan dari Monash University (Melbourne, Australia) menemukan metode baru untuk membuat paduan magnesium yang lebih tahan lama dan ringan. Bagaimana mereka berhasil, sifat fisik dan kimia apa yang terungkap, dan peran apa yang dimainkan oleh pemetaan sinar-X dalam pekerjaan ini? Kami akan menemukan jawaban untuk pertanyaan-pertanyaan ini dalam laporan kelompok penelitian. Ayo pergi.

Sedikit sejarah

Dalam bentuknya yang murni, magnesium pertama kali diisolasi pada tahun 1828 oleh ahli kimia Prancis Antoine Bussy. Tapi ini bukan penampilan pertama magnesium dalam sejarah umat manusia. Pada 1695, di kota Epsom (Inggris), garam diisolasi dari air mineral, yang sekarang dikenal sebagai magnesium sulfat heptahidrat (MgSO ₄ · 7H ₂ O). Zat ini rasanya sangat pahit dan memiliki sifat pencahar, yang tampaknya diidentifikasi oleh satu-satunya metode yang mungkin saat itu - dalam praktik. Setelah hampir 100 tahun pada 1792, Anton von Ruprecht mampu mengisolasi dari MgO zat yang ia sebut Austria. Austria, ternyata, adalah magnesium, tetapi dengan tingkat kemurnian yang sangat rendah. Dan sudah pada tahun 1828, Bussy bisa mendapatkan magnesium murni, memulihkan cairan klorida dengan kalium logam. Beberapa saat kemudian, pada tahun 1830, Michael Faraday melalui elektrolisis magnesium klorida cair (MgCl ₂ ) juga menerima magnesium murni (Mg).


Antoine Bussy

Namun, magnesium memperoleh signifikansi industri hanya pada awal tiga puluhan abad kedua puluh, setelah itu produksi paduan berdasarkan itu terus tumbuh.

Baca lebih lanjut tentang paduan magnesium di sini .

Dalam rekayasa modern, paduan magnesium juga banyak digunakan, tetapi berbagai aplikasi mereka dapat diperluas, seperti yang dikatakan para peneliti.

Dalam pekerjaan mereka, mereka menunjukkan kemampuan untuk memvisualisasikan pemisahan dalam paduan magnesium dengan menerapkan spektroskopi dispersi sinar-X resolusi atom pada tegangan yang jauh lebih rendah daripada yang diperkirakan sebelumnya. Para ilmuwan juga menunjukkan pemisahan bersama pada batas butir kembar * dalam paduan magnesium dengan zat terlarut besar dan kecil membentuk kolom bergantian yang sepenuhnya menempati batas kembar * .

Segregasi * - perubahan kondisi fisik medium yang tidak homogen.

Batas butir * adalah antarmuka antara dua butir dalam bahan polikristalin.

Batas-batas si kembar * - antarmuka antara dua bagian kristal, yang dicerminkan satu sama lain.

Secara umum, penelitian ini menunjukkan bahwa analisis atom terhadap struktur dan komposisi kimia zat terlarut dalam paduan logam dengan komposisi kompleks lebih dari mungkin.

Dasar studi

Para ilmuwan mencatat bahwa batas butir memainkan peran penting dalam mengendalikan sifat mekanik dari banyak bahan polikristalin, khususnya paduan magnesium ringan. Hambatan terbesar untuk penggunaan magnesium yang lebih luas di industri penerbangan dan otomotif adalah sulitnya mengendalikan deformasi selama proses termomekanis.

Saat ini, diketahui bahwa penambahan unsur rare-earth (RE) pada paduan magnesium menyebabkan melemahnya tekstur rekristalisasi secara signifikan. Dan penambahan kombinasi elemen rare-earth dan non-rare-earth dapat menyebabkan tekstur rekristalisasi yang lebih lemah.

Selain itu, penambahan RE mengarah ke sejumlah besar kembar deformasi, yang menyediakan lebih banyak situs nukleasi untuk butir rekristalisasi dengan orientasi acak.

Para peneliti mencatat bahwa kombinasi atom besar dan kecil dari elemen paduan yang sesuai dapat menyebabkan tekstur yang jauh lebih lemah dan kemampuan bentuk yang lebih baik * dengan memaksimalkan segregasi sendi.

Kemampunan * - kemampuan serbuk logam untuk mendapatkan dan mempertahankan bentuk tertentu di bawah tekanan dan gravitasi yang diberikan.

Namun, memperoleh informasi yang cukup mengenai proses ini dan pengaruhnya terhadap keseluruhan struktur paduan tidak dapat dilakukan pada tingkat yang cukup akurat tanpa data eksperimental pada skala atom struktur paduan, komposisi kimia batas kembar, dll.

Untuk mengatasi masalah ini, seseorang dapat menggunakan PEM - mikroskop elektron pemindaian transmisi yang dilengkapi dengan regulator penyimpangan bola. Perangkat ini memungkinkan Anda untuk mengamati distribusi atom berat menggunakan teknik visualisasi berdasarkan Z-contrast, serta atom yang lebih ringan (oksigen, litium atau hidrogen) melalui visualisasi medan terang cincin.

Namun, analisis gambar kontras Z menjadi bermasalah ketika paduan memiliki beberapa elemen paduan * .

Elemen paduan * - elemen yang ditambahkan ke logam dan tetap di dalamnya, sambil mengubah struktur dan komposisi kimianya.

Tentu saja, adalah mungkin untuk mempelajari kimia batas antara butir menggunakan tomografi penyelidikan atom, tetapi sangat sulit untuk menentukan secara rinci lokasi atom zat terlarut di batas.

Masalah lain dalam studi elemen paduan paduan cahaya adalah bahwa segregasi rusak oleh sinar elektron. Untuk paduan magnesium, masalah ini sangat akut ketika atom-atom yang terpisah dari zat terlarut berubah menjadi satu kolom atom.

Namun, jangan putus asa, karena peneliti dalam pekerjaannya telah menemukan cara untuk menyelesaikan masalah ini. Yang diperlukan hanyalah spektroskopi sinar-X dispersif energi (EDS) pada tegangan yang jauh lebih rendah.

Dengan menggunakan metode ini, para ilmuwan dapat menemukan pola segregasi gabungan unsur terlarut pada batas kembar, serta mekanisme migrasi batas kembar.

Subjek uji dalam penelitian ini adalah paduan Mg-RE-Ag, yang memiliki sifat mekanik yang sangat baik pada suhu kamar dan pada suhu tinggi. Penting bahwa Nd memiliki ukuran atom lebih besar dari Mg, tetapi Ag memiliki ukuran atom lebih kecil dari Mg.

Mengingat bahwa Nd dan Ag memiliki nomor atom yang lebih tinggi dalam tabel periodik, mereka tidak cocok untuk pencitraan kontras Z. Artinya, distribusi mereka pada skala atom hanya dapat dideteksi menggunakan EDS.

Hasil penelitian

Gambar No. 1

Gambar 1a dan 1b menunjukkan gambar PEM bidang-gelap dari (1012) batas kembar dalam sampel plastis yang terdeformasi dan anil. Semua kolom atom dalam batas ini menunjukkan kontras yang lebih terang daripada kolom dalam matriks atau kembar. Karena kecerahan kolom atom individu dalam gambar PEM bidang-gelap kira-kira sebanding dengan kuadrat dari nomor atom rata-rata, kontras yang lebih terang menunjukkan pengayaan zat terlarut. Pada saat yang sama, sulit untuk menentukan kolom terang individu mana yang kaya - Nd, Ag, atau keduanya, karena bilangan atom Nd (60) dan Ag (47) lebih tinggi daripada Mg (12). Untuk alasan ini, diputuskan untuk menerapkan resolusi atom EDS.

Gambar 1c - 1e menunjukkan gambar EDS dari batas kembar yang ditunjukkan pada 1b . Data ini diperoleh dengan menggunakan tegangan yang jauh lebih rendah (120 kV) daripada yang dibutuhkan oleh tipe mikroskop ini (300 kV).

Gambar EDS dengan jelas menunjukkan bahwa atom Nd terpisah secara eksklusif di tempat-tempat ekspansi (lingkaran pada 1b - 1e ), tetapi atom Ag terkonsentrasi secara eksklusif di tempat kompresi. Pola segregasi yang serupa berbeda dari yang diamati pada paduan Mg-Gd-Zn, di mana atom-atom terlarut yang lebih besar dan lebih kecil terkonsentrasi hanya di tempat-tempat ekspansi.

Juga ditemukan bahwa dengan radiasi elektron berkelanjutan, kolom atom yang diperkaya dalam Nd jauh lebih stabil daripada kolom yang diperkaya dalam Ag. Untuk alasan ini, kualitas gambar EDS untuk Nd lebih baik daripada untuk Ag.

Selanjutnya, perlu untuk menentukan lokasi atom-atom yang terpisah secara terpisah dari zat terlarut. Untuk ini, para ilmuwan mempelajari batas kembar terpisah (1012) di sepanjang arah kembar (1011).

Jika dilihat bersama (1011), kembaran dan matriks menunjukkan proyeksi identik dari kolom atom, dan pola difraksi dari kedua kristal ini juga identik. Dan ini membuatnya sulit untuk mempelajari batas-batas kembar di tingkat atom. Tetapi pemisahan atom dari unsur terlarut memungkinkan untuk secara langsung mengamati batas kembar dalam gambar PEM medan gelap ( 1f - 1g ).

Semua kolom pada batas kembar menunjukkan kontras yang lebih terang, yang menunjukkan pengayaan dengan zat terlarut di sepanjang arah yang dipelajari. Dan, sekali lagi, terlepas dari kenyataan bahwa sulit untuk membedakan antara Nd dan Ag dalam gambar PEM, gambar EDS resolusi atom yang sesuai dengan jelas menunjukkan bahwa setiap kolom atom berisi atom Nd dan Ag ( 1h - 1j ).

Menggabungkan data dari gambar PEM dan EDS dari dua arah ortogonal yang disebutkan di atas, adalah mungkin untuk mendapatkan distribusi atom Nd dan Ag dalam (1012) batas kembar ( 1k ). Sepanjang arah (1210) sesuai dengan panah biru dalam diagram, setiap kolom atom berisi atom Nd atau Ag. Dan di sepanjang arah (1011), yaitu atom panah merah, Nd dan Ag didistribusikan secara bergantian di setiap kolom.

Gambar 1 l secara skematis menunjukkan lapisan segregasi sepanjang (1210) dan (1011). Simulasi juga dilakukan, yang hasilnya sangat sesuai dengan data eksperimen ( 1n - 1o ).


Gambar No. 2

Fenomena segregasi sendi (co-segregation) juga diamati pada (1011) batas kembar. Gambar 2a menunjukkan gambar PEM (1011) dari batas kembar dalam sampel cacat dan anil. Seperti dalam pengamatan sebelumnya, situs ekspansi dan situs kompresi diisi dengan zat terlarut. Atom nd terpisah di situs ekspansi, dan atom Ag di situs kompresi ( 2b - 2e ). Dengan demikian, ada pola segregasi yang mirip dengan yang ada di (1012) batas kembar.


Gambar No. 3

Kemudian, para ilmuwan membuat perhitungan untuk mengidentifikasi sumber dari gambaran segregasi sendi yang tidak biasa seperti itu, ketika kolom-kolom atom terlarut besar dan kecil menempati seluruh batas kembar.

Grafik di atas menunjukkan energi relatif yang dihitung untuk kisaran inklusi (fraksi) zat terlarut pada batas kembar (1012) dan (1011).

Untuk batas (1012), dapat dilihat bahwa untuk tempat ekspansi, yang paling disukai adalah pengisian penuh kolom dengan atom Nd dalam arah (1210) ( 3a ). Dalam pengamatan sebelumnya, atom-atom terlarut yang lebih besar dan lebih kecil terpisah bersama hanya di situs-situs ekspansi, tetapi di sini kita melihat keberadaan atom-atom Nd dan Ag yang bercampur dalam satu kolom dari situs ekspansi, yang mengarah pada peningkatan energi.

Penurunan energi yang signifikan diamati jika situs kompresi benar-benar ditempati oleh atom Ag (garis putus-putus pada 3a ), yang konsisten dengan hasil eksperimen.

Grafik 3b menunjukkan tingkat energi di lokasi kompresi. Di sini, tingkat energi minimum juga diamati jika situs kompresi benar-benar ditempati oleh atom Ag dan situs ekspansi oleh atom Nd.

Untuk batas (1011), dapat dilihat bahwa skenario yang paling menguntungkan adalah mengisi situs kompresi dengan atom Ag, dan situs ekspansi dengan atom Nd ( 3c - 3d ).


Gambar No. 4

Langkah selanjutnya dalam studi segregasi bersama adalah penentuan mekanisme migrasi batas-batas si kembar, yang dilakukan melalui perhitungan (gambar No. 4).

Perlu dicatat bahwa kehadiran Nd dan Ag pada batas kembar menyebabkan perubahan dalam mekanisme migrasi perbatasan dari rezim yang diterima secara umum ke rezim yang sepenuhnya baru.

Atom dalam bidang batas kembar dan pesawat tetangga terdekat (pertama dan kedua) berperilaku berbeda ketika regangan geser eksternal diterapkan. Dalam situasi di mana tidak ada pemisahan zat terlarut ( 4a ), sudut α yang terkait dengan batas kembar awal berangsur-angsur berkurang dengan peningkatan regangan geser karena fakta bahwa atom Mg dari situs kompresi © bergerak dalam arah yang berlawanan dari atom Mg dari situs ekspansi (E) . Sudut α berkurang dari 180 ° hingga 164 °. Pada saat ini, sudut β yang terkait dengan lapisan lama meningkat hingga 180 ° dan menjadi bidang selanjutnya dari batas kembar yang dipindahkan ( 4b ). Ada juga sedikit perubahan sudut γ terkait dengan lapisan pertama.

Permutasi atom yang serempak seperti itu mengarah pada mekanisme migrasi batas kembar, yang meliputi pembentukan diskontinuitas dua (1012) lapisan. Namun, ketika Nd dan Ag hadir di batas kembar ( 4c ), mekanisme pengocokan berkurang.

Dengan peningkatan regangan geser yang diterapkan ( 4d ), sudut α tetap mendekati 180 ° dan mencegah gerakan pengocokan di tempat kompresi dan ekspansi, yang terjadi ketika sudut β meningkat dengan regangan yang diterapkan tanpa adanya zat terlarut.

Sementara sudut α dan β relatif tidak berubah dengan meningkatnya regangan geser, sudut γ meningkat dengan regangan yang diterapkan karena pergerakan atom Mg ke arah yang berlawanan dengan dua atom tetangganya di lapisan pertama. Hasilnya, sudut γ mencapai 180 ° dan menjadi bidang berikutnya dari batas kembar yang dipindahkan.

Mekanisme migrasi batas kembar melalui satu lapisan (bukan dua) sangat berbeda dari mekanisme migrasi, di mana tidak ada pemisahan zat terlarut ( 5a ).

Untuk menentukan karakteristik umum dari mekanisme migrasi yang dijelaskan di atas, kasus dihitung di mana pemisahan pada batas kembar terjadi dengan atom Nd atau dengan atom Ag, yaitu, dalam sistem paduan ganda.

Dalam kasus di mana hanya Nd ( 4e ) hadir di batas kembar, kecenderungan untuk pengocokan atom mirip dengan yang diamati di hadapan Nd dan Ag pada batas kembar ( 4d ). Sudut α dan β praktis tidak berubah, dan sudut γ meningkat dengan meningkatnya regangan geser ( 4f ).

Para ilmuwan telah menyarankan bahwa mekanisme migrasi baru ini dapat terjadi pada paduan magnesium yang mengandung unsur tanah jarang atau pengotor lain yang melengkapi Mg-Nd. Ini juga dibuktikan oleh fakta bahwa dalam kasus keberadaan Ag secara eksklusif ( 4g ) pada batas kembar, mekanisme migrasi perbatasan adalah sama dengan tidak adanya pemisahan zat terlarut ( 4b ).

Ketika sudut bidang asli dari batas dan lapisan kedua berubah karena peningkatan regangan geser, sudut γ yang terkait dengan lapisan pertama sedikit berubah (4 jam ).


Gambar No. 5

Ada juga teori bahwa pemisahan atom Nd dan Ag pada batas kembar dapat secara signifikan mengurangi mobilitas batas ini. Secara termodinamik, pemisahan zat terlarut dapat mengurangi energi batas dan, karenanya, meningkatkan stabilitas dan pada saat yang sama mengurangi mobilitas batas ganda. Secara kinetik, pemisahan zat terlarut pada batas kembar akan memiliki efek pengikatan atau resistensi terhadap migrasi batas.

Tegangan geser yang dihitung sebagai fungsi kurva regangan untuk batas (1012) kembar dengan / tanpa atom Nd dan Ag yang terpisah ditunjukkan pada grafik 5b .

Dalam situasi di mana tidak ada pemisahan zat terlarut, yaitu, hanya Mg, batas kembar mulai bermigrasi pada tegangan geser di atas 116 MPa. Ketika batas-batas si kembar diisi dengan Nd dan Ag, perubahan signifikan dalam tegangan geser dan penampilan batas deformasi elastis diamati.

Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian ini, saya sarankan Anda melihat laporan para ilmuwan dan bahan tambahan untuk itu.

Epilog

Dalam studi ini, para ilmuwan dapat menunjukkan kemungkinan mempelajari struktur dan komposisi kimia dari batas kembar dalam paduan magnesium pada tingkat atom, yang sebelumnya dianggap hampir mustahil. Teknik yang mereka temukan memungkinkan untuk mendeteksi pola segregasi yang tidak biasa yang menyebabkan efek pinning yang kuat pada antarmuka, dan mekanisme migrasi yang belum pernah dipelajari sebelumnya.

Data segregasi memberikan gambaran yang lebih akurat tentang stabilitas termal dan mobilitas antarmuka di dalam paduan, yang memiliki efek signifikan pada sifat-sifatnya secara keseluruhan.

Dengan demikian, para ilmuwan dapat mempelajari secara lebih rinci apa yang telah digunakan selama beberapa dekade. Studi tentang sifat-sifat tersembunyi, proses dan fenomena memungkinkan kita untuk memperluas pemahaman kita tentang objek ini atau itu, apakah itu elemen tunggal atau paduan.

Terima kasih atas perhatian Anda, tetap penasaran, dan selamat bekerja, kawan! :)

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami buat untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?