White-Laue- und Pulverbeugungsstudien zur Aufklärung der Mechanismen von HCP

Dec 11, 2023

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 2173 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Mechanismen der Phasenumwandlung von hexagonal dicht gepackter (HCP) in kubisch raumzentriertes (BCC) in Mg-Einkristallen werden mithilfe einer Kombination aus polychromatischer Laue-Strahlbeugung und monochromatischer Pulverstrahlbeugung unter quasi-hydrostatischen Drücken von bis zu 58 ± 2 beobachtet GPa bei Umgebungstemperatur. Obwohl Experimente sowohl mit He- als auch mit Ne-Druckmedien durchgeführt wurden, kommt es bei einer Belastung von 40–44 GPa zwangsläufig zu einer plastischen Verformung der Kristalle. Die Plastizität wird durch Versetzungsgleiten ausgeglichen, was zu lokalen Fehlorientierungen von bis zu 1°–2° führt. Die ausgewählten Kristalle werden durch Kartieren von Laue-Beugungsflecken bis zum Einsetzen der HCP-zu-BCC-Umwandlung verfolgt, die bei einem Druck von 56,6 ± 2 GPa bestimmt wird. Die Intensität der Laue-Reflexionen von HCP-Kristallen nimmt schnell ab, bei einem weiteren Druckanstieg werden jedoch keine Reflexionen von der kristallinen BCC-Phase beobachtet. Dennoch zeigt die Pulverbeugung die Bildung eines 110-BCC-Peaks bei 56,6 GPa. Die Spitzenintensität steigt auf 59,7 GPa. Bei der vollständigen Umwandlung bildet sich ein pulverförmiges BCC-Aggregat, was die zerstörerische Natur der HCP-zu-BCC-Umwandlung in Mg-Einkristallen offenbart.

Magnesium (Mg) und seine Legierungen werden seit Jahrzehnten untersucht, wobei das Interesse in den letzten Jahren immer größer wird. Im Maschinenbau sind Mg-Legierungen aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer hohen spezifischen Festigkeit vielversprechend, was besonders in der Elektronik- und Transportindustrie wichtig ist1,2,3. In den Geowissenschaften ist Mg Bestandteil kommerziell wichtiger Mineralien wie Dolomit, Magnesit, Brucit, Carnallit und Olivin. Da die Bildung dieser Mineralien unter hohen Drücken erfolgt, ist es von grundlegendem Interesse, die Phasenumwandlungen zu verstehen, die in dem Material stattfinden, das diesen Bedingungen ausgesetzt ist.

1985 beobachteten Olijnyk und Holzapfel4 experimentell die BCC-HCP-Umwandlung in Mg im Bereich von 50 ± 6 GPa und 2014 bestätigten Stinton et al.5 diesen Bereich. Bei beiden Arbeiten wurden jedoch nichthydrostatische Belastungsbedingungen verwendet, was zu Unsicherheiten hinsichtlich des Nenndrucks führte. In4 wurde Isopropanol als druckübertragendes Medium (PTM) verwendet. Bei Alkoholen, die als PTM verwendet werden, kann die Druckabweichung bis zu 2,5 GPa bei einem durchschnittlichen Druck von 20 GPa erreichen6. Bei 5 wurde überhaupt kein druckübertragendes Medium verwendet. Darüber hinaus lieferten Pulverproben und Pulverbeugungsmessungen, die in4,5 verwendet wurden, keine Informationen über den Mechanismus der Transformation. Weitere theoretische Studien schätzten den Transformationsdruck auf bis zu 65 GPa7,8,9,10. Bei solch umfassenden Schätzungen ist es von entscheidender Bedeutung, nicht nur den HCP-zu-BCC-Umwandlungsdruck experimentell zu verifizieren, sondern auch seinen Mechanismus für große kristalline Aggregate wie Mono- oder Polykristalle aufzudecken.

In dieser Arbeit kombinierten wir polychromatische Strahl-Laue-Beugung und monochromatische Pulverbeugung am Advanced Photon Source, High Pressure Collaborative Access Team (HPCAT), um Mechanismen der HCP-BCC-Phasenumwandlung in Mg-Einkristallen bei Umgebungstemperatur und quasi-hydrostatischem Druck zu untersuchen bis 58 ± 2 GPa11,12.

Proben von reinem Mg mit einer nominalen Reinheit von 99,9 + % wurden aus einem massiven Mg-Einkristall mit einer Laserbohrmaschine am HPCAT13 in kleine Stücke mit einer Dicke von ~ 10 µm geschnitten. Jede Probe wurde mit einem Mikromanipulator12 in eine Diamantambosszelle (DAC) BX90 gegeben. Alle Proben wurden so in den DAC geladen, dass die Basisebene des HCP-Kristalls senkrecht zum Röntgenstrahl und parallel zur DAC-Ebene verläuft. Eine ausführliche Beschreibung und Abbildung des DAC-Lesegeräts finden Sie unter 14. Für verschiedene Proben wurden DACs mit Kalets mit einem Durchmesser von 300 und 200 μm verwendet. Die kleinere Kalette ermöglicht die Erzielung eines höheren Drucks, verursacht jedoch einen höheren Spannungsgradienten15,16,17. Die Rhenium (Re)-Dichtung wurde bis auf 35 μm vorgeprägt und ein Loch mit 150 oder 100 μm Durchmesser wurde in die Dichtung für 300 bzw. 200 μm große Kalets gebohrt. Nach der Belastung mit dem höchsten Druck wurden die Proben mittels optischer Mikroskopie oder Elektronenmikroskopie untersucht, um das Vorhandensein von Brückenbildungsproben (Quettschungen) zwischen den Diamanten festzustellen. Nach Belastung mit Drücken von bis zu 58 ± 2 GPa wurde keine Brückenbildung beobachtet, mit Ausnahme der teilweisen Brückenbildung bei einer Probe, die im Zusatzmaterial der Veröffentlichung dargestellt ist. Sieben Proben wurden mit 300-μm-Kerzenambossen und drei Proben mit 200-μm-Kerzenambossen getestet. Unter ihnen wurden nur vier Proben, die mit Kalets von 300 μm und Neon (Ne) als Übertragungsmedium beladen waren, erfolgreich bei Drücken über 40 GPa getestet. Andere Proben zeigten eine erhebliche plastische Verformung bis hin zum vollständigen Verschwinden der Beugungsflecken, wie unten beschrieben. Der Unterschied zwischen der Kalibergröße 300 μm und der Kaletgröße 200 μm ist wahrscheinlich auf unterschiedliche Druckgradienten über die Kaletgröße zurückzuführen. Es ist bekannt, dass kleinere Kalets einen größeren Druckgradienten18,19 erzeugen, der zu einer stärkeren plastischen Verformung der Mg-Kristalle führen würde.

Die DACs mit Proben wurden mit Ne oder Helium (He) als Druckübertragungsmedium beladen. Der Druck in der Zelle wurde manuell durch Stellschrauben in Schritten von 3–4 GPa erhöht. Der ausgeübte Druck wurde durch Rubinfluoreszenz20 und/oder Raman-Spektrometrie an Diamant gemessen, um ein Zusammendrücken der Proben zwischen Dichtungsmaterial und Rubinkugeln21 zu vermeiden. Der mit diesen beiden Techniken gemessene Druckunterschied betrug nicht mehr als 1 GPa. Da DACs typischerweise auch ohne Druckanstieg einige Druckdrifts aufweisen, lag die geschätzte Drift im Bereich von ± 2 GPa vom ursprünglich gemessenen Wert. Die Datenerfassung erfolgte an den Stationen 16-BMB12 und 16-BMD22 für polychromatische Laue- bzw. monochromatische Pulverbeugungstechniken. Beugungsmuster wurden über eine zweidimensionale Punktanordnung gesammelt, um die gesamte Projektion der Probe senkrecht zum Strahl abzudecken. Diese Schritte wurden wiederholt, während die Probe bis zum höchsten Druck komprimiert wurde. Die Probe wurde regelmäßig auf der Rotationsachse neu zentriert, indem Absorptionsscans mit einer Fotodiode durchgeführt wurden, um die Probe in Bezug auf den Röntgenstrahl und den Flächendetektor an der gleichen Position zu halten17,18.

Das Datenanalyseverfahren wurde mit der selbst entwickelten MATLAB-basierten Software IndexLaue durchgeführt. Die Software kombiniert Funktionen der Bildverarbeitung in Dioptas25, der Peak-Suche in Fit2d26 und der Indizierung in polyLaue12 mit beschleunigter Multi-Core-Leistung und komfortabler grafischer Benutzeroberfläche. Ausführliche Informationen zur Funktionalität der Software gehen über den Rahmen dieser Veröffentlichung hinaus.

Der typische Arbeitsablauf der Datenverarbeitung in IndexLaue ist in Abb. 1 dargestellt. Ein rohes Detektorbild (Abb. 1a) wird zunächst durch Erhöhen von Helligkeit und Kontrast verbessert (Abb. 1b). Anschließend werden die Reflexionen des Diamanten subtrahiert und eine interessierende Reflexion für die Kartierung ausgewählt (Abb. 1c, wobei das rote Quadrat die ausgewählte Reflexion anzeigt). Anschließend werden die Detektorbilder auf das Auswahlfeld zugeschnitten und entsprechend der X- und Y-Achse des Scans aufgezeichnet. Als Ergebnis wird eine 2D-Karte der ausgewählten Reflexion (Fläche) entsprechend den Scanabmessungen erstellt (Abb. 1d). Die resultierende Karte zeigt die räumliche Position eines Kristalls, der den ausgewählten Beugungsfleck erzeugt. Schließlich werden die Reflexionen indiziert, um die Phase und Ausrichtung des beugenden Kristalls sowie die Miller-Indizes (hkl) der Beugungspunkte zu identifizieren. Abbildung 1e, f zeigt ein Beispiel für eine solche Indizierung, bei der festgestellt wurde, dass Beugungspunkte zu einem Einkristall aus HCP Mg gehören.

(a) anfängliches Detektorbild, (b) Detektorbild mit angepasster Helligkeit und Kontrast, (c) angepasstes Detektorbild mit maskierten Diamanten; Das rote Quadrat zeigt den für die Kartierung verwendeten Beugungsfleck an. (d) 2D-Karte des in (c) ausgewählten Beugungsflecks. (e) indizierte Beugungsflecke mit Miller-Indizes (hkl)-Beschriftung. Das rote Quadrat zeigt den vergrößerten Teil in (f) an.

Der anfängliche Druck auf die Probe wird langsam auf 40 bis 44 GPa erhöht, was nahe an der erwarteten Untergrenze des HCP-BCC-Übergangs von 44 GPa4 liegt. Als der Druck erhöht wurde, zeigten die Proben eine gewisse plastische Verformung, noch bevor möglicherweise eine Phasenumwandlung stattfinden konnte (Abb. 2, Zusatzmaterial der Arbeit). Beugungsflecken, die bei 5 GPa (Abb. 2a, d) und 22 GPa (Abb. 2b, e) einigermaßen scharf sind, werden diffus, wenn sie 41,2 GPa erreichen (Abb. 2c, f). Der Effekt war bei DACs mit einer Kalibergröße von 200 µm deutlich ausgeprägter, sodass bei drei Proben, die mit dieser Kalettgröße getestet wurden, bei 40 GPa keine indexierbaren Beugungspunkte beobachtet wurden. Daher verwendeten wir 300-µm-Kügelchen, um die Verformung der Kristalle in den restlichen Experimenten zu minimieren.

Bildserie, die die Verformung eines Mg-Einkristalls mit zunehmendem Druck im DAC veranschaulicht: (a)–(c) Detektorbilder bei 5, 22 bzw. 41,2 GPa; Rote Quadrate stellen vergrößerte Bereiche dar, die in (d)–(f) dargestellt sind. Beachten Sie die Abnahme der Intensität und das diffuse Erscheinungsbild der Reflexionen in (c) und (f). Druckmedium war He.

The deformation of Mg crystals likely happens due to non-hydrostatic component of the applied pressure which results in dislocation slip and formation of local misorientations up to 1°-2° in the probed volume. Such misorientation corresponds to 100–200 pixels spread on the detector images forming a diffuse cloud instead of a sharp diffraction spot. No difference was observed between He (Fig. 2) and Ne (supplementary material of the paper) pressure mediums as plastic deformation of Mg happened in both to a similar extent. Though He is known to be the most hydrostatic pressure medium within the studied pressure range , the value of non-hydrostatic effect (pressure deviation) in He rises starting from ~ 22.5 GPa6. At pressure 40 GPa, the pressure deviation in He is estimated to be 0.15 GPa = 150 MPa. Though experimental conditions vary between our test and6, it is not surprising that crystals of pure Mg would deform at non-hydrostatic pressures exceeding flow stress of Mg which can be as low as few MPa27. As basal slip is the easiest in Mg27,28,29,30, we can expect early activation of this slip mode given that Schmidt factor is not equal to zero. However, non-basal slip can also be activated with an increase of non-hydrostatic component of applied pressure and in favorable orientation of the crystal slip in Mg alloys as revealed by texture development. J. Mech. Phys. Solids 111, 290–307. https://doi.org/10.1016/j.jmps.2017.11.004 (2018)." href="/articles/s41598-023-29424-z#ref-CR31" id="ref-link-section-d130155771e689"> 31,32. Während aktive Gleitmodi und Änderungen der Versetzungsdichte mit monochromatischen Beugungsmethoden gemessen werden können33,34, liegt dies außerhalb des Rahmens dieser Arbeit. Wir schätzen daher nur die durch Schlupf verursachte lokale Fehlorientierung, die leicht aus der Größe der Laue-Reflexionen abgeleitet werden kann. Was die Zwillingsbildung als Mechanismus zur Anpassung der Plastizität bei Mg35,36,37,38 betrifft, wurden in keinem Stadium der Belastung bis zum höchsten Druck Zwillinge erkennbarer Größe beobachtet.

Somit bestätigen die vorliegenden Beobachtungen eindeutig die nicht-hydrostatische Wirkung der Druckmedien He und Ne. Dies sollte in zukünftigen Studien an Mg-Kristallen, die hohem Druck ausgesetzt sind, berücksichtigt werden, da im Bereich über ~ 20 GPa eine Verformung unvermeidlich ist, die zum Verschmieren der Beugungspunkte führt. Um die plastische Verformung zu reduzieren, wurde eine der auf 42 GPa vorbelasteten Proben 6 Stunden lang bei 375 °C getempert, es wurde jedoch keine Verbesserung der Beugungsflecken beobachtet.

Anschließend laden wir die Proben weiter über den Transformationsbereich, der zuvor in der Literatur als 44–56 GPa4 festgelegt wurde. Vier mit Ne beladene Proben wurden erfolgreich getestet und zeigten folgende ähnliche Beobachtungen. Abbildung 3 zeigt die Entwicklung von Detektorbildern (Abb. 3a, c, e, g) und entsprechenden 2D-Karten (Abb. 3b, d, f, h) über den Druckbereich von 42 bis 58 GPa. Aus dem Beugungsfleck wurden 2D-Karten erstellt, die in Abb. 3b, d, f, h durch ein rotes Kästchen gekennzeichnet sind. Dieser Beugungsfleck wurde bei allen Drücken aus demselben Kristall von HCP Mg ausgewählt. Daher stellen 2D-Karten die räumliche Position dieses Kristalls dar, hervorgehoben durch die ovale Umrisslinie mit orangefarbenen Strichen, und seine Entwicklung über den Transformationsbereich.

Bildserie, die die Entwicklung eines Mg-Einkristalls im Druckbereich von 42–58 GPa veranschaulicht: (a), (c), (e), (g) Detektorbilder; Rote Kästchen zeigen den Beugungspunkt an, der zum Erstellen der auf (b), (d), (f) bzw. (h) dargestellten 2D-Karten verwendet wird. Orangefarbene gestrichelte Ovale auf (b), (d), (f), (h) skizzieren die räumliche Lage eines Mg-Einkristalls. Beachten Sie den deutlichen Rückgang der Intensität der interessierenden Reflexion bei einem Druckanstieg von 55 GPa (f) auf 58 GPa (h). Druckmedium war Ne.

Wie wir aus den Karten in Abb. 3b, d, f ersehen können, umreißen orangefarbene gestrichelte Ovale eine sehr ähnliche Form des ausgewählten Mg-Kristalls, der im Druckbereich von 42–55 GPa nahezu intakt bleibt. Wir stellen dann einen deutlichen Rückgang der Intensität der ausgewählten Reflexion bei einem Druckanstieg von 55 GPa (Abb. 3f) auf 58 GPa (Abb. 3h) fest, während keine neuen Reflexionen auftreten. Ein solcher Intensitätsabfall könnte auf eine stattfindende Phasenumwandlung von HCP zu BCC hinweisen, obwohl in den Laue-Beugungsmustern keine Beugungsflecken aus der BCC-Phase zuverlässig identifiziert wurden.

Auf die Sammlung der polychromatischen Laue-Beugungsdaten folgten monochromatische Pulverbeugungsmessungen, um die BCC-Kristalle weiter aufzulösen. Die Datenerfassung wurde an einer separaten Probe durchgeführt, da es aufgrund der Verfügbarkeit der Strahlzeit nicht möglich war, Laue- und Pulverbeugung an einer einzigen Probe zu kombinieren. Die resultierenden Spektren sind in Abb. 4 für den Druckbereich von 41,2 bis 59,7 GPa dargestellt. Beim niedrigsten Druck wurden im angezeigten dhkl-Bereich 5 Beugungspeaks identifiziert, nämlich 100 und 101 von Mg HCP, 100 und 101 von Rhenium (Re)-Dichtung und eine Beugungslinie von erstarrtem kristallinem Ne. Bei zunehmendem Druck verschmolzen die Peaks 100 und 101 von Mg HCP und Re miteinander, und bei 56,6 GPa wurde ein kleiner Peak von Mg BCC beobachtet, dessen Intensität dann bei 59,7 GPa deutlich zunahm. Das Erscheinungsbild des Beugungsrings aus BCC Mg ähnelte zunächst einem strukturierten Aggregat bei 56,6 GPa, das sich bei 59,7 GPa in einen nahezu kontinuierlichen 110-Ring umwandelte, der typisch für pulverartige nanokristalline Aggregate mit meist willkürlichen Kristallorientierungen ist. Die aus den Positionen der Beugungslinien von Mg HCP und BCC abgeleiteten Atomvolumina (Tabelle 1) stimmen gut mit den zuvor gemeldeten Werten überein5.

Pulverbeugungsspektren von Mg-Einkristallen, die Drücken im Bereich von 41,2 bis 59,7 GPa ausgesetzt sind.

Aus Pulverbeugungsdaten können wir schließen, dass die untere Grenze des Transformationsdrucks für reines einkristallines Mg bei 56,6 ± 2 GPa liegt und das Vorhandensein der BCC-Phase bestätigt ist. Der erhaltene Wert ist höher im Vergleich zu zuvor ermittelten 49 GPa für Pulverproben4. Dieser Unterschied kann durch die unterschiedliche Mikrostruktur der Proben erklärt werden, nämlich Einkristall(e) in der vorliegenden Studie und Pulver in4. Die Pulverprobe stellt im Wesentlichen ein Aggregat zufällig ausgerichteter Kristalle dar; Obwohl jeder einzelne Kristall anisotrop ist, ist das durchschnittliche Verhalten des Aggregats isotrop. Dies ist besonders wichtig für HCP-Gitter, die in Bezug auf die c- und a-Achsen stark anisotrop sind.

Bei Studien zur Plastizität unter nicht hydrostatischen Belastungsbedingungen ist die Ausrichtung des Kristalls in Bezug auf die Belastungsrichtung entscheidend, um die Belastungsreaktion zu verstehen. Wenn bei Hochdruckstudien das Druckmedium ideal ist und keine nicht-hydrostatische Komponente aufweist, wird der Kristall vollständig hydrostatisch komprimiert, und die Ausrichtung des Kristalls im DAC ist nicht wichtig. Bei realem Druckmedium kommt es immer zu einer Druckabweichung am DAC, die bei Überschreitung der Fließspannung zu einer plastischen Verformung der Probe führt. Intuitiv wäre diese plastische Verformung für verschiedene Ausrichtungen der Probe im DAC unterschiedlich. Anschließend würde dies eine andere Mikrostruktur, beispielsweise eine andere Versetzungsdichte, in der Probe erzeugen, bevor der Phasenumwandlungsdruck erreicht wird. Schließlich können unterschiedliche Mikrostrukturen, wie oben erwähnt, zu unterschiedlichen Transformationsdrücken führen.

Da alle Proben in der vorliegenden Studie in DAC mit ähnlicher Ausrichtung geschnitten und geladen wurden, messen wir im Experiment den Transformationsdruck, der sich aus der Mikrostruktur ergibt, die durch Verformung dieser bestimmten Ausrichtung des HCP-Gitters entsteht. Im Gegensatz dazu messen wir in Pulverproben die „gemittelten“ Eigenschaften des gesamten Aggregats mit zufälliger Ausrichtung der Kristallite. Darüber hinaus weisen Korn-/Phasengrenzen in verdichtetem Pulver oder Polykristall Defekte mit gespeicherter Energie auf, die als Keimbildungsstellen fungieren und die für Zustandsänderungen wie Phasenumwandlungen erforderliche Energiebarriere senken können.

Aus Laue-Beugungsdaten ist ersichtlich, dass die Kristalle von HCP Mg bei Belastung sowohl in Ne- als auch in He-Druckmedien eine Kaltumformung zeigten, obwohl große Kristalle bis zum Einsetzen der Phasenumwandlung eine ähnliche Form beibehalten. Im Druckbereich von 55–58 GPa nahm die Intensität der Laue-Reflexe von HCP-Kristallen deutlich ab, während von der BCC-Phase keine neuen Laue-Reflexe beobachtet wurden. Dies ging mit der Bildung eines 110-BCC-Pulverbeugungspeaks bei 56,6 GPa einher, dessen Intensität bei 59,7 GPa deutlich zunahm, was auf den laufenden HCP-BCC-Phasenübergang hinweist.

Das Fehlen neuer Laue-Reflexe von der BCC-Phase in Kombination mit der Bildung eines 110-BCC-Peaks bei der Pulverbeugung im Bereich von 55–59,7 GPa deutete darauf hin, dass die HCP-BCC-Umwandlung in Mg den kristallinen Zustand der HCP-Phase mit der Bildung von Pulver zerstört. wie BCC-Phase. Diese Schlussfolgerung ist von grundlegender Bedeutung für das Verständnis der Natur der Phasenumwandlung in Mg, da in früheren Studien, in denen Pulverproben und ausschließlich Pulverbeugungstechniken verwendet wurden, kein ähnlicher Mechanismus beschrieben wurde. Es ist zu beachten, dass wir den Begriff „pulverartige BCC-Phase“ nicht im Sinne von losem Pulver wie Sandkörnern (die unter hohem Druck stark verdichtet würden) verwenden, sondern vielmehr in der Bedeutung derselben Massenprobe, deren Mikrostruktur sich verändert hat ein einzelner HCP-Kristall in viele BCC-Kristallite mit zufälliger Orientierung. Obwohl diese Kristallite immer noch in einem Feststoff der Ausgangsprobe zusammengehalten werden, sind sie sehr klein und zufällig ausgerichtet, so dass kontinuierliche Beugungsringe entstehen, die denen ähneln, die man aus losem Pulver erhält. Die Aussage, dass die Probe in großen Mengen verbleibt, wird durch ergänzendes Material des Papiers durch eine Abbildung der Probe unter atmosphärischem Druck untermauert. Wenn bei der Umwandlung loses Pulver entsteht, bleibt es beim Entladen Pulver; Im Gegensatz dazu beobachten wir, dass die Probe nach dem Entladen weiterhin fest bleibt.

Was die umgekehrte Umwandlung von BCC zu HCP beim Entladen betrifft, haben wir dies in der vorliegenden Arbeit nicht speziell angesprochen, da es zuvor in4 untersucht wurde. Es wurde eine große Hysterese des Transformationsdrucks beobachtet, die 56 GPa für die BCC-zu-HCP-Transformation und 44 GPa für die Umkehrung erreichte. Deshalb haben die Autoren den Transformationsdruck auf einen Bereich von 50 ± 6 GPa bezogen. Zukünftig können ähnliche Entladungsexperimente an Einkristallen durchgeführt werden, zusammen mit der Untersuchung des Transformationsdrucks auf verschiedene Orientierungen des Einkristalls.

Wir sollten auch beachten, dass der Effekt der Kornfragmentierung mithilfe der Scherrer-Gleichung39 durch Bestimmung der Peakverbreiterung in der Pulverbeugung an Pulverproben untersucht werden kann, es gibt jedoch bestimmte Komplikationen bei der Anwendung, nämlich: (1) Die Scherrer-Gleichung ist hauptsächlich auf Kristallitgrößen anwendbar kleiner als 10 nm, und wenn neu gebildete Kristallite größer als dieser Wert sind, kommt es zu keiner signifikanten Peakverbreiterung. (2) Peakverbreiterung setzt sich aus einer Verbreiterung aufgrund der Kristallitgröße und einer Verbreiterung aufgrund der auferlegten Spannung zusammen, wobei Letzteres möglich ist ist bei dieser Art von Experimenten schwer zu bestimmen, (3) der Grad der Verfeinerung und die damit verbundene Peakverbreiterung hängen von der anfänglichen Partikelgröße ab; Wenn die anfänglichen Kristalle fein genug sind, kann eine weitere Verfeinerung unterdrückt werden.

Im Gegensatz dazu liefern Einkristallproben deutliche Beugungspunkte, die leichter aufzuspüren und zu analysieren sind, insbesondere mit der Weißstrahl-Laue-Beugungstechnik, die bei Einkristallen viel empfindlicher ist als die Pulverbeugung. Wenn ein deformierter Einkristall einer Pulverbeugung unterzogen wird, erscheinen Beugungspunkte als Bögen auf dem Debye-Sherrer-Ring und überlappen sich wahrscheinlich mit allen anderen Kristallen derselben Phase. Im Gegensatz dazu können diese Kristalle im weißen Laue-Beugungsmuster relativ leicht getrennt werden. Daher nutzt eine Kombination aus polychromatischen Laue- und monochromatischen Pulverbeugungstechniken in dieser Arbeit die Stärken jeder Technik und bietet einzigartige Einblicke in die untersuchten Phänomene. Während sich die Pulverbeugung besser zur Bestimmung der Phasenzusammensetzung eignete, lieferte die Laue-Beugung Einblicke in den kristallinen Zustand des Materials.

Die White-Laue-Beugung enthüllt nicht nur die zerstörerische Natur der HCP-BCC-Umwandlung, sondern beleuchtet auch wichtige technologische Aspekte der Synchrotronbeugungsuntersuchung von Mg bei hohem Druck. Dazu gehören eine ausgeprägte Kaltverformung von Kristallen unterhalb des Umwandlungsbereichs und eine nicht-hydrostatische Komponente des He-Druckmediums bei Drücken unterhalb des Beginns der Phasenumwandlung. Beide Beobachtungen sollten für weitere Studien zu Mg unter hohem Druck berücksichtigt werden.

Die Anwendung der Laue-Beugung auf Proben, die eine derart starke plastische Verformung aufweisen, ermöglicht die Erkennung von Einkristallen viel effizienter als die Verwendung eines monochromatischen Strahls. Die Laue-Beugungstechnik ist nicht empfindlich gegenüber pulverförmigen nanokristallinen Aggregaten, die entweder sehr diffuse und „streifenförmige“ Reflexionen erzeugen oder nur einen Hintergrund erzeugen, während Einkristalle scharfe Reflexionen erzeugen. Wenn ein monochromatischer Strahl verwendet wird, überlagern sich kontinuierliche Beugungslinien von pulverförmigen Komponenten im Allgemeinen mit scharfen Reflexionen, die von Einkristallen erzeugt werden. Durch Anwendung der Laue-Beugung wurde gezeigt, dass Teile von Mg-Einkristallen trotz starker plastischer Verformung auch bei Drücken direkt unterhalb des HCP-zu-BCC-Übergangs erhalten bleiben, was wahrscheinlich auf eine wesentlich geringere Versetzungsdichte vor der Kompression zurückzuführen ist. Diese Informationen können aus technologischer Sicht von Interesse sein, insbesondere für die Untersuchung weicher Materialien, die aufgrund nichthydrostatischer Druckbedingungen zu Verformungen neigen.

Das Problem der diffusen Reflexionen von verformten Materialien kann durch eine kleinere Röntgenstrahlgröße bis zu einem gewissen Grad reduziert werden. Ein kleineres untersuchtes Volumen würde zu einer geringeren Ausrichtungsstreuung und damit zu schärferen Reflexionen führen, die leichter zu verfolgen und zu indizieren sind. Dadurch wird das Beugungsmuster von kristallinen Materialien mit plastischer Verformung verbessert, da sich zeigt, dass Plastizität selbst bei Verwendung der hydrostatischsten Druckmedien unvermeidlich ist.

Obwohl die Strahlgröße durch Fokussierungsoptiken und Vergrößerung des Fokussierabstands verringert werden kann, werden die größten Vorteile nach einem Upgrade der gesamten Synchrotronanlage auf die nächste Generation erzielt. Beispielsweise wird erwartet, dass die Strahlgröße nach dem bevorstehenden APS-U-Upgrade40 von 2 µm auf etwa 200 nm reduziert wird, was ähnlichen Studien wie der vorliegenden sehr zugute kommen wird. Zusätzlich zur allgemeinen Verbesserung der Strahlhelligkeit und -divergenz nach der Modernisierung wird die bevorstehende Kombination von monochromatischer Pulverbeugung und polychromatischer weißer Laue-Beugungstechnik an einer Station von Sektor 16 viel umfassendere Möglichkeiten für die Materialanalyse unter hohem Druck bieten.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wurde am HPCAT (Sektor 16), Advanced Photon Source (APS), Argonne National Laboratory durchgeführt. Der HPCAT-Betrieb wird vom Office of Experimental Sciences des DOE-NNSA unterstützt. NV-Arbeiten wurden unter der Schirmherrschaft des US-Energieministeriums vom Lawrence Livermore National Laboratory unter dem Vertrag DE-AC52-07NA27344 durchgeführt. Die Advanced Photon Source ist eine Benutzereinrichtung des Office of Science des US-Energieministeriums (DOE), die vom Argonne National Laboratory unter der Vertragsnummer DE-AC02-06CH11357 für das DOE Office of Science betrieben wird. EV und MK danken außerdem der US National Science Foundation im Rahmen des CAREER Grant Nr. CMMI-1650641 und dem DEVCOM Army Research Laboratory im Rahmen der Kooperationsvereinbarung Nr. CMMI-1650641 für ihre Unterstützung. W911NF-21-2-0149. Die Verwendung des Gasladesystems COMPRES-GSECARS wurde von COMPRES im Rahmen der NSF-Kooperationsvereinbarung EAR-1606856 und von GSECARS durch NSF Grant EAR-1634415 und DOE Grant DE-FG02-94ER14466 unterstützt. Diese Forschung nutzte Ressourcen der Advanced Photon Source, einer Benutzereinrichtung des Office of Science des US-Energieministeriums (DOE), die vom Argonne National Laboratory unter der Vertragsnummer DE-AC02-06CH11357 für das DOE Office of Science betrieben wird.

Fakultät für Maschinenbau, University of New Hampshire, Durham, NH, 03824, USA

Evgenii Vasilev & Marko Knezevic

Abteilung für Röntgenwissenschaften, Team für kollaborativen Hochdruckzugang, Argonne National Laboratory, Argonne, IL, 60439, USA

Dmitry Popov, Maddury Somayazulu und Nenad Velisavljevic

Abteilung für Physik, Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA, 94550, USA

Nenad Velisavljevic

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EV – Methodik, Software, Validierung, formale Analyse, Untersuchung, Schreiben – Originalentwurf; DP – Konzeptualisierung, Methodik, Validierung, formale Analyse, Untersuchung, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung; MS – Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung, Überwachung, Projektverwaltung; NV – Konzeptualisierung, Methodik, Ressourcen, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung, Überwachung; MK – Konzeptualisierung, Methodik, Ressourcen, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung, Überwachung, Projektverwaltung, Finanzierungsakquise.

Korrespondenz mit Marko Knezevic.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Vasilev, E., Popov, D., Somayazulu, M. et al. White-Laue- und Pulverbeugungsstudien zur Aufdeckung der Mechanismen der HCP-zu-BCC-Phasenumwandlung in Mg-Einkristallen unter hohem Druck. Sci Rep 13, 2173 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29424-z

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Eingegangen: 08. November 2022

Angenommen: 03. Februar 2023

Veröffentlicht: 07. Februar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29424-z

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