The Role of Substrate on Thermal Evolution of Ag/TiO2 Nanogranular Thin Films

In multicomponent thin films, properties and functionalities related to post-deposition annealing treatments, such as thermal stability, optical absorption and surface morphology are typically rationalized, neglecting the role of the substrate. Here, we show the role of the substrate in determining the temperature dependent behaviour of a paradigmatic two-component nanogranular thin film (Ag/TiO2) deposited by gas phase supersonic cluster beam deposition (SCBD) on silica and sapphire. Up to 600 °C, no TiO2 grain growth nor crystallization is observed, likely inhibited by the Zener pinning pressure exerted by the Ag nanoparticles on the TiO2 grain boundaries. Above 600 °C, grain coalescence, formation of However, the two substrates steer the evolution of the film morphology and optical properties in two different directions. anatase and rutile phases and drastic modification of the optical absorption are observed. On silica, Ag is still present as NPs distributed into the TiO2 matrix, while on sapphire, hundreds of nm wide Ag aggregates appear on the film surface. Moreover, the silica-deposited film shows a broad absorption band in the visible range while the sapphire-deposited film becomes almost transparent for wavelengths above 380 nm. We discuss this result in terms of substrate differences in thermal conductivity, thermal expansion coefficient and Ag diffusivity. The study of the substrate role during annealing is possible since SCBD allows the synthesis of the same film independently of the substrate, and suggests new perspectives on the thermodynamics and physical exchanges between thin films and their substrates during heat treatments.

A Novel Comparative Study Based on the Economic Feasibility of the Ceramic Nanoparticles Role’s in Improving the Properties of the AA5250 Nanocomposites

In this paper, AA5250 aluminum sheets are reinforced with boron nitride (BN), silicon carbide (SiC), aluminum oxide (Al2O3), and vanadium carbide (VC). The nanocomposites metal matrix are manufactured using friction stir processing (FSP). A novel analytical comparison based on an assessment of mechanical, physical properties and the cost of manufactured materials was conducted to help the engineers and designers choose the most economically feasible nanocomposite. The results revealed extra grain refining for all composites in the stirred zone (SZ) due to the Zener-pinning mechanism. The smallest grain size was obtained in AA5250/BN, and it decreased 20 times that of the base metal (BM). The highest wear resistance was achieved in AA5250/SiC, followed by AA5250/VC and AA5250/BN. The lowest coefficient of friction was obtained for AA5250/BN due to the self-lubrication property of BN; which was μ = 0.28. SiC AA5250 had the highest hardness, increasing three times more than the base metal in terms of its hardness. There was a detailed discussion of the probable explanations for the improvements. However, the outstanding characteristics of the BN nanoparticles, the AA5250/BN was reported to be lower than the AA5250/SiC. In comparison, the AA5250/SiC nanocomposite exhibits the optimum value due to its fitting for different properties relative to the cost.

Influence of Fe and Mn on the Microstructure Formation in 5xxx Alloys—Part II: Evolution of Grain Size and Texture

In recent decades, microstructure and texture engineering has become an indispensable factor in meeting the rising demands in mechanical properties and forming behavior of aluminum alloys. Alloying elements, such as Fe and Mn in AlMg(Mn) alloys, affect the number density, size and morphology of both the primary and secondary phases, thus altering the grain size and orientation of the final annealed sheet by Zener pinning and particle stimulated nucleation (PSN). The present study investigates the grain size and texture of four laboratory processed AlMg(Mn) alloys with various Fe and Mn levels (see Part I). Common models for deriving the Zener-limit grain size are discussed in the light of the experimental data. The results underline the significant grain refinement by dispersoids in high Mn alloys and show a good correlation with the Smith–Zener equation, when weighting the volume fraction of the dispersoids with an exponent of 0.33. Moreover, for high Fe alloys a certain reduction in the average grain size is obtained due to pinning effects and PSN of coarse primary phases. The texture analysis focuses on characteristic texture transformations occurring with pinning effects and PSN. However, the discussion of the texture and typical PSN components is only possible in terms of trends, as all alloys exhibit an almost random distribution of orientations.

Molecular Dynamics Simulation of Zener Pinning by Differently Shaped and Oriented Particles

Zener pinning between a curved Cu grain boundary (GB) and a differently shaped and oriented Ag particle has been simulated via molecular dynamics. The computed magnitudes of the maximum pinning force agreed with theoretical predictions only when the force was small. As the force increased, discrepancy became obvious. Through careful inspection of the structures of the Cu–Ag interfaces, detailed interaction processes, and variation of the Cu GB during the interaction, the discrepancy is found to correlate with GB faceting, which very likely reduces the maximum pinning force and facilitates boundary passage. GB anisotropy and/or interface characteristics are also found to slightly contribute to the discrepancy. These findings suggest that the assumption of an isotropic GB with constant energy utilized in previous theoretical studies for deriving the maximum pinning force might be inappropriate and that an accurate maximum pinning force could not be predicted without knowing the effects of GB evolution together with detailed properties of both GBs and interfaces.

A High-Strain-Rate Superplasticity of the Al-Mg-Si-Zr-Sc Alloy with Ni Addition

The current study analyzed the effect of Ni content on the microstructure and superplastic deformation behavior of the Al-Mg-Si-Cu-based alloy doped with small additions of Sc and Zr. The superplasticity was observed in the studied alloys due to a bimodal particle size distribution. The coarse particles of eutectic origin Al3Ni and Mg2Si phases with a total volume fraction of 4.0–8.0% and a mean size of 1.4–1.6 µm provided the particles with a stimulated nucleation effect. The L12– structured nanoscale dispersoids of Sc- and Zr-bearing phase inhibited recrystallization and grain growth due to a strong Zener pinning effect. The positive effect of Ni on the superplasticity was revealed and confirmed by a high-temperature tensile test in a wide strain rate and temperature limits. In the alloy with 4 wt.% Ni, the elongation-to-failure of 350–520% was observed at 460 °C, in a strain rate range of 2 × 10−3–5 × 10−2 s−1.

Precipitation Criterion for Inhibiting Austenite Grain Coarsening during Carburization of Al-Containing 20Cr Gear Steels

AlN precipitates are frequently adopted to pin the austenite grain boundaries for the high-temperature carburization of special gear steels. For these steels, the grain coarsening criterion in the carburizing process is required when encountering the composition optimization for the crack-sensitive steels. In this work, the quantitative influence of the Al and N content on the grain size after carburization is studied through pseudocarburizing experiments based on 20Cr steel. According to the grain structure feature and the kinetic theory, the abnormal grain growth is demonstrated as the mode of austenite grain coarsening in carburization. The AlN precipitate, which provides the dominant pinning force, is ripened in this process and the particle size can be estimated by the Lifshitz−Slyosov−Wagner theory. Both the mass fraction and the pinning strength of AlN precipitate show significant influence on the grain growth behavior with the critical values indicating the grain coarsening. These criteria correspond to the conditions of abnormal grain growth when bearing the Zener pinning, which has been analyzed by the multiple phase-field simulation. Accordingly, the models to predict the austenite grain coarsening in carburization were constructed. The prediction is validated by the additional experiments, resulting in accuracies of 92% and 75% for the two models, respectively. Finally, one of the models is applied to optimize the Al and N contents of commercial steel.

Design of the thermomechanical control process of high strength low alloy (HSLA) steels

Ο σχεδιασμός της θερμομηχανικής κατεργασίας χαλύβων υψηλής αντοχής και χαμηλής κράματωσης (HSLA) παραμένει ένα δύσκολο πρόβλημα και λίγες προσπάθειες έχουν πραγματοποιηθεί ως προς την βελτιστοποίηση τους υπό ένα ενοποιημένο υπολογιστικό πλαίσιο. Οι περισσότερες έρευνες επικεντρώνονται στη βελτιστοποίηση μεμονομένων σταδίων της θερμομηχανικής κατεργασίας, αγνοώντας την σύνδεση των φαινομένων που ελέγχουν την εξέλιξη της μικροδομής στα διαφορετικά στάδια, ενώ άλλες έρευνες βασίζονται σε μια διαδικασία δοκιμής και σφάλματος, η οποία απαιτεί τεράστιο αριθμό πειραματικών δεδομένων ώστε να βελτιώσουν τις μηχανικές ιδιότητες του υλικού. Η θερμομηχανική κατεργασία των X70 HSLA χαλύβων αποτελείται από δύο στάδια θερμής έλασης (roughing and finishing) στην ωστενιτική περιοχή, και στη συνέχεια από επιταχυνόμενη ψύξη, όπου ο παραμορφωμένος ωστενίτης μετασχηματίζεται σε φερρίτη. Μετά από μια διαδικασία συσπείρωσης (coiling), η τελική μικδροδομή, συναρτήσει των παραμέτρων κατεργασίας, μπορεί να αποτελείται από πολυγωνικό φερρίτη, βελονοειδή φερρίτη ή μπαινιτικό φερρίτη, με μέσο μέγεθος κόκκου 2-6 μm. Η παρούσα μελέτη στοχεύει στην ανάπτυξη μιας υπολογιστικής διαδικασίας συνδεδεμένης με στρατηγικές βελτιστοποίησης, για την περιγραφή της εξέλιξης της μικροδομής κατά τα πολλαπλά στάδια της θερμομηχανικής κατεργασίας των X70 HSLA χαλύβων. Δύο διαδικασίες υπολογιστικής μοντελοποίησης και βελτιστοποίησης αναπτύχθηκαν για το σχεδιασμό της θερμομηχανικής κατεργασίας των X70 HSLA χαλύβων. Η πρώτη προσέγγιση υιοθετεί ένα επεκταμένο μοντέλο Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK rate model), για τη περιγραφή της επιταχυνόμενης καθίζησης των καρβονιτριδίων του νιοβίου λόγω παραμόρφωσης, καθώς και της στατικής ανακρυστάλλωσης του ωστενίτη κατά τη θερμομηχανική κατεργασία. Στοχεύοντας στην εκλέπτυνση του κόκκου, χρησιμοποιήθηκε ένας γενετικός αλγόριθμος για την εύρεση βέλτιστων λύσεων θερμομηχανικής κατεργασίας υπό συγκεκριμένες συνθήκες σχεδιασμού. Το υλικό που πρόεκυψε από αυτή τη μέθοδο, ονομάστηκε "δοκιμαστικό υλικό" (trial material). Στη δεύτερη προσέγγιση, αναπτύχθηκε ένα πρωτότυπο ολοκληρωμένο μοντέλο καθίζησης και ανακρυστάλλωσης, περιορίζοντας τον αριθμό των ρυθμιζόμενων παραμέτρων, το οποίο ενσωματώθηκε σε ένα φυσικό μοντέλο (physically-based mean field model) για τη περιγραφή της εξέλιξης της μικροδομής. Το μοντέλο λαμβάνει υπ' όψιν του μια αποτελεσματική δύναμη Zener pinning, μια αποτελεσματική κινητικότητα του νιοβίου για το solute drag effect, και μια μη-ομοιόμορφη αποθηκευμένη ενέργεια. Χρησιμοποιώντας τον NSGA-II αλγόριθμο, μια λίστα βέλτιστων λύσεων ευρέθηκε, επιλύοντας ένα πολυαντικειμενικό πρόβλημα βελτιστοποίησης. Αυτές οι λύσεις χαρακτηρίζονται από συμβιβαζόμες αντικειμενικές χαρακτηρισμού της μικροδομής, π.χ. μέσο φερριτικό μέγεθος κόκκου, διαλυτοποιημένο νιόβιο, και βαθμό επιμήκυνσης στο τέλος της θερμής έλασης. Μια λύση επιλέχθηκε από αυτή τη μεθοδολογία, και το υλικό που προέκυψε ονομάστηκε "βέλτιστο υλικό", ενώ στη συνέχεια το υλικό ερευνήθηκε με τη χρήση υπολογισμών Multi-Phase Field (MPF). Πραγματοποιήθηκε ανάλυση της μικροδομής, της καθίζησης και μηχανικοί έλεγχοι για τον χαρακτηρισμό του υλικού. Τα πειραματικά αποτελέσματα παρουσιάσαν καλή σύγκλιση με τα υπολογιστικά αποτελέσματα. Επίσης, πραγματοποιήθηκε σύγκριση των MPF και JMAK μοντέλων για τη περίπτωση των C-Mn χαλύβων, ώστε να αποκαλυφθούν οι παράμετροι που ελέγχουν την εξέλιξη της μικροδομής, καθώς πραγματοποιήθηκε και πειραματική επιβεβαίωση των MPF αποτελεσμάτων με δημοσιευμένα δεδομένα από την βιβλιογραφία. Η σύγκριση μεταξύ του δοκιμαστικού και βέλτιστου υλικού, καθώς και ενός αναφορικού υλικού το οποίο προήλθε από μια βιομηχανική θερμομηχανική κατεργασία, έδειξε ότι το βέλτιστο υλικό είχε μια πιο λεπτόκοκκη και ομοιόμορφη μικροδομή, πετυχαίνοντας συνεπώς τις αντικειμενικές του σχεδιασμού. Ωστόσο, το βέλτιστο υλικό παρουσίασε λίγο μεγαλύτερη θερμοκρασία μετάβασης από την ψαθυρή στην όλκιμη θραύση. Η παρούσα μελέτη κατάφερε να περιγράψει τα φαινόμενα που ελέγχουν την εξέλιξη της μικροδομής καθόλη τη θερμομηχανική κατεργασία των χαλύβων υψηλής αντοχής και χαμηλής κραμάτωσης μέσω μιας ολοκληρωμένης υπολογιστικής προσέγγισης, για να μειώσει το χρόνο που απαιτείται για τη βελτιστοποίση του υλικού θέτοντας συγκρεκριμένες αντικειμενικές χαρακτηρισμού της μικροδομής. Ένα βήμα πραγματοποιήθηκε από την ανάπτυξη κραμάτων βασισμένων στη διαδικασία δοκιμής και σφάλματος, προς την ανάπτυξη κραμάτων βασισμένων στον υπολογιστικό σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση. Οι προτεινόμενες προσεγγίσεις μπορούν να συνεισφέρουν στο σχεδιασμό της κατεργασίας των χαλύβων υψηλής αντοχής και χαμηλής κραμάτωσης (HSLA) και άλλων μικρό-κραματωμένων χαλύβων με βελτιομένες ιδιότητες.

Evolution of the Morphology Near Triple-Phase Boundaries in Ni–Yttria Stabilized Zirconia Electrodes Upon Cathodic Polarization

Microstructural changes in Ni–yttria stabilized zirconia (YSZ) near the YSZ electrolyte were examined by three-dimensional (3D) electron microscopy after electrolysis and fuel cell operation up to 10,700 h and 15,000 h, respectively. The depletion of Ni and three-phase boundaries (TPBs) close to the electrolyte was detected upon cathodic polarization. It corresponded to spatial variations of dihedral angles (θ) at TPBs and Ni surface curvature along the direction perpendicular to the electrolyte, which comport with electrowetting and Zener pinning theory on several aspects. θNi decreased by up to 6 deg next to the electrolyte after electrolysis but remained uniform after fuel cell operation. This is in line with predictions from electrowetting theory with capacitances measured by electrochemical impedance spectroscopy and distribution of relaxation times. The decrease in θNi was concurrent to transition toward concave Ni/pore interfacial shapes and lower genus of the Ni phase, which suggests the pinch-off of Ni ligaments following surface diffusion-controlled Rayleigh instability. The increase in absolute mean curvature near the electrolyte interface is a driving force for outward transport of Ni. The decrease in θYSZ further suggests that TPB lines relocate on YSZ surface features that provide higher Zener pinning force. In contrast, few localized contact losses between Ni and YSZ that can also occur under high cathodic polarization and trigger Ni depletion were detected. The results are expected to advance the understanding of the driving forces that cause Ni depletion near the electrolyte in electrolysis for the design of improved solid oxide cell electrode microstructures.