Effects of different modes of hot cross-rolling in 7010 aluminum alloy: part I. evolution of microstructure and texture

The current study describes the evolution of microstructure and texture in an Al-Zn-Mg-Cu-Zr-based 7010 aluminum alloy during different modes of hot cross-rolling. Processing of materials involves three different types of cross-rolling. The development of texture in the one-step cross-rolled specimen can be described by a typical beta-fiber having the maximum intensity near Copper (Cu) component. However, for the multi-step cross-rolled specimens, the as-rolled texture is mainly characterized by a strong rotated-Brass (Bs) component and a very weak rotated-cube component. Subsequent heat treatment leads to sharpening of the major texture component (i.e., rotated-Bs). Furthermore, the main texture components in all the specimens appear to be significantly rotated in a complex manner away from their ideal positions because of non-symmetric deformations in the two rolling directions. Detailed microstructural study indicates that dynamic recovery is the dominant restoration mechanism operating during the hot rolling. During subsequent heat treatment, static recovery dominates, while a combination of particle-stimulated nucleation (PSN) and strain-induced grain boundary migration (SIBM) causes partial recrystallization of the grain structure. The aforementioned restoration mechanisms play an important role in the development of texture components. The textural development in the current study could be attributed to the combined effects of (a) cross-rolling and inter-pass annealing that reduce the intensity of Cu component after each successive pass, (b) recrystallization resistance of Bs-oriented grains, (c) stability of Bs texture under cross-rolling, and (d) Zener pinning by Al3Zr dispersoids.

Exceptional resistance to grain growth in nanocrystalline CoCrFeNi high entropy alloy at high homologous temperatures

Nanocrystalline CoCrFeNi high entropy alloy, synthesized by mechanical alloying followed by spark plasma sintering, demonstrated extremely sluggish grain growth even at very high homologous temperature of 0.68 T-m (900 degrees C) for annealing duration of 600 h. Mechanically alloyed powder had carbon and oxygen as impurities, which in turn led to the formation of two-phase mixture of FCC and Cr-rich carbide with fine distribution of Cr-rich oxide during spark plasma sintering. Sluggish grain growth is attributed to the Zener pinning effect from the fine dispersion of oxide, mutual retardation of grain boundaries in the presence of two phases, and sluggish diffusivity because of cooperative diffusion of multi-principle elements. (C) 2015 Elsevier B.V. All rights reserved.

Microstructure design of Titanate-based electroceramics

Electrocerâmicos são uma classe de materiais avançados com propriedades eléctricas valiosas para aplicações. Estas propriedades são geralmente muito dependentes da microestrutura dos materiais. Portanto, o objectivo geral deste trabalho é investigar o desenho da resposta dieléctrica de filmes espessos obtidos por Deposição Electroforética (EPD) e cerâmicos monolíticos, através do controlo da evolução da microestrutura durante a sinterização de electrocerâmicos à base de titanatos. Aplicações sem fios na indústria microelectrónica e de comunicações, em rápido crescimento, tornaram-se um importante mercado para os fabricantes de semicondutores. Devido à constante necessidade de miniaturização, redução de custos e maior funcionalidade e integração, a tecnologia de filmes espessos está a tornar-se uma abordagem de processamento de materiais funcionais cada vez mais importante. Uma técnica adequada neste contexto é EPD. Os filmes espessos resultantes necessitam de um passo subsequente de sinterização que é afectada pelo substrato subjacente, tendo este um forte efeito sobre a evolução da microestrutura. Relacionado com a miniaturização e a discriminação do sinal, materiais dieléctricos usados como componentes operando a frequências das microondas em aplicações na industria microelectrónica de comunicações devem apresentar baixas perdas dieléctricas e elevadas permitividade dieléctrica e estabilidade com a temperatura. Materiais do sistema BaO-Ln2O3- TiO2 (BLnT: Ln = La ou Nd), como BaLa4Ti4O15 (BLT) e Ba4.5Nd9Ti18O54 (BNT), cumprem esses requisitos e são interessantes para aplicações, por exemplo, em estações de base para comunicações móveis ou em ressonadores para telefones móveis, onde a miniaturização dos dispositivos é muito importante. Por sua vez, o titanato de estrôncio (SrTiO3, STO) é um ferroeléctrico incipiente com constante dieléctrica elevada e baixas perdas, que encontra aplicação em, por exemplo, condensadores de camada interna, tirando partido de fronteiras de grão altamente resistivas. A dependência da permitividade dieléctrica do campo eléctrico aplicado torna este material muito interessante para aplicações em dispositivos de microondas sintonizáveis. Materiais à base de STO são também interessantes para aplicações termoeléctricas, que podem contribuir para a redução da actual dependência de combustíveis fósseis por meio da geração de energia a partir de calor desaproveitado. No entanto, as mesmas fronteiras de grão resistivas são um obstáculo relativamente à eficiência do STO para aplicações termoeléctricas. Para além do efeito do substrato durante a sinterização constrangida, outros factores, como a presença de fase líquida, a não-estequiometria ou a temperatura de sinterização, afectam significativamente não apenas a microestrutura dos materiais funcionais, mas também a sua resposta dieléctrica. Se adequadamente compreendidos, estes factores podem ser intencionalmente usados para desenhar a microestrutura dos electrocerâmicos e, desta forma, as suas propriedades dieléctricas. O efeito da não-estequiometria (razão Sr/Ti 0.995-1.02) no crescimento de grão e resposta dieléctrica de cerâmicos de STO foi investigado neste trabalho. A mobilidade das fronteiras de grão aumenta com a diminuição da razão Sr/Ti. A resistividade do interior dos grãos e das fronteiras de grão é sistematicamente diminuída em amostras não-estequiométricas de STO, em comparação com o material estequiométrico. O efeito é muito mais forte para as fronteiras de grão do que para o seu interior. Dependências sistemáticas da não-estequiometria foram também observadas relativamente à dependência da condutividade da temperatura (muito mais afectada no caso da contribuição das fronteiras de grão), à capacitância do interior e fronteiras de grão e à espessura das fronteiras de grão. Uma anomalia no crescimento de grão em cerâmicos de STO ricos em Ti foi também observada e sistematicamente analisada. Foram detectadas três descontinuidades na dependência do tipo Arrhenius do crescimento de grão relativamente à temperatura com diminuições no tamanho de grão a temperaturas em torno de 1500, 1550 e 1605 °C. Além disso, descontinuidades semelhantes foram também observadas na dependência da energia de activação relativamente à condutividade das fronteiras de grão e na espessura das fronteiras de grão, avaliadas por Espectroscopia de Impedância. Estas notáveis coincidências suportam fortemente a formação de diferentes complexos de fronteira de grão com transições entre os regimes de crescimento de grão observados, que podem ser correlacionados com diferentes mobilidades de fronteira de grão e propriedades dieléctricas. Um modelo é sugerido, que se baseia na diminuição da fase líquida localizada nas fronteiras de grão, como o aumento da temperatura de sinterização, um cenário compatível com um fenómeno de solubilidade retrógrada, observado anteriormente em metais e semicondutores, mas não em cerâmicos. A EPD de filmes espessos de STO em substratos de folha de Pt e a sinterização constrangida dos filmes fabricados foram também preliminarmente tratadas. Filmes espessos de STO foram depositados com êxito por EPD sobre substratos de Pt e, depois de sinterizados, atingiram densidades elevadas. Um aumento da densificação e do tamanho de grão assim como o alargamento da distribuição de tamanho do grão foram observados com a diminuição da razão Sr/Ti, tal como anteriormente observado em amostras cerâmicas. Grãos equiaxiados foram observados para todas as composições, mas um certo grau de anisotropia na orientação dos poros foi detectado: os poros revelaram uma orientação vertical preferencial. Este trabalho focou-se também na sinterização constrangida do sistema BLnT (Ln = La ou Nd), nomeadamente de filmes espessos de BLT e BNT sobre substratos de folha de platina, e na relação do desenvolvimento de anisotropia microestrutural com as propriedades dieléctricas. As observações durante a sinterização constrangida foram comparadas com cerâmicos monolíticos equivalentes sinterizados livremente. Filmes espessos de BLnT (Ln = La ou Nd) com elevada densidade foram obtidos por EPD e subsequente sinterização constrangida. A anisometria cristalográfica do material em conjunto com um passo de sinterização constrangida resultou em grãos alongados e microestruturas anisotrópicas. O efeito do stress do substrato durante a sinterização constrangida originou graus mais elevados de anisotropia (grãos e poros alongados e orientação preferencial, bem como textura cristalográfica) nos filmes sinterizados relativamente aos cerâmicos equivalentes sinterizados livremente, não obstante o estado equivalente das amostras em verde. A densificação dos filmes de BLnT (Ln = La ou Nd) é retardada em comparação com os cerâmicos, mas depois de longos tempos de sinterização densidades semelhantes são obtidas. No entanto, em oposição a observações na sinterização constrangida de outros sistemas, o crescimento do grão em filmes de BLnT (Ln = La ou Nd) é favorecido pelo constrangimento causado pelo substrato. Além disso, grãos e poros alongados orientados paralelamente ao substrato foram desenvolvidos durante a sinterização constrangida de filmes espessos. Verificou-se uma forte correlação entre a evolução de grãos e poros, que começou assim que o crescimento do grão se iniciou. Um efeito da tensão do substrato no aumento do crescimento de grão, bem como um forte “Zener pinning”, origina microestruturas altamente texturizadas, o que também é observado a nível cristalográfico. Efeitos marcantes da anisotropia microestrutural foram também detectados nas propriedades dieléctricas dos filmes de BLnT (Ln = La ou Nd). Juntamente com o aumento da razão de aspecto dos grãos, do factor de orientação e do grau de textura cristalográfica, a permitividade relativa é ligeiramente diminuída e o coeficiente de temperatura da permitividade evolui de negativo para positivo com o aumento do tempo isotérmico de sinterização. Este trabalho mostra que a não-estequiometria pode ser usada para controlar a mobilidade das fronteiras de grão e, portanto, desenhar a microestrutura e as propriedades dieléctricas de electrocerâmicos à base de STO, com ênfase nas propriedades das fronteiras de grão. O papel da não-estequiometria no STO e dos complexos de fronteira de grão no desenvolvimento microestrutural é discutido e novas oportunidades para desenhar as propriedades de materiais funcionais são abertas. As observações relativamente à sinterização constrangida apontam para o efeito de tensões mecânicas desenvolvidas devido ao substrato subjacente no desenvolvimento da microestrutura de materiais funcionais. É assim esperado que a escolha adequada de substrato permitia desenhar a microestrutura de filmes espessos funcionais com desempenho optimizado. “Stress Assisted Grain Growth” (SAGG) é então proposto como uma técnica potencial para desenhar a microestrutura de materiais funcionais, originando microestruturas anisotrópicas texturizadas com propriedades desejadas.

β-Ti grain refinement via α-Precipitation

The present work explores the impact of α precipitates on β recrystallization following hot deformation of Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr with grains larger than 1 mm. A single hot rolling pass of 36 pct reduction was conducted on an aged microstructure containing α precipitates at a temperature well below the β transus temperature. After annealing, a uniformly recrystallized structure with a grain size of ~100 µm is formed. The prior β grain boundaries can be readily identified and it is seen that the primary β grains have been replaced by grains displaying a spread of correlated misorientation angles extending up to the highest allowable values. The annealing comprises two stages. The first stage involves normal β subgrain growth limited by the Zener pinning force of the unstable α precipitates. The second stage corresponds to the onset of β recrystallization at the point where the Zener pinning force drops due to dissolution of the α precipitates. This leads to a uniform distribution of site saturated recrystallization nuclei.

Excellent rectifying characteristics in Au/n-CdTe diodes upon exposure to rf nitrogen plasma

Nitrogen plasma exposure (NPE) effects on indium doped bulk n-CdTe are reported here. Excellent rectifying characteristics of Au/n-CdTe Schottky diodes, with an increase in the barrier height, and large reverse breakdown voltages are observed after the plasma exposure. Surface damage is found to be absent in the plasma exposed samples. The breakdown mechanism of the heavily doped Schottky diodes is found to shift from the Zener to avalanche after the nitrogen plasma exposure, pointing to a change in the doping close to the surface which was also verified by C-V measurements. The thermal stability of the plasma exposure process is seen up to a temperature of 350 degrees C, thereby enabling the high temperature processing of the samples for device fabrication. The characteristics of the NPE diodes are stable over a year implying excellent diode quality. A plausible model based on Fermi level pinning by acceptor-like states created by plasma exposure is proposed to explain the observations.

Phase diagram of vortex matter in layered superconductors with tilted columnar pinning centers

We study the vortex matter phase diagram of a layered superconductor in the presence of columnar pinning defects, tilted with respect to the normal to the layers. We use numerical minimization of the free energy written as a functional of the time-averaged vortex density of the Ramakrishnan-Yussouff form, supplemented by the appropriate pinning potential. We study the case where the pin density is smaller than the areal vortex density. At lower pin concentrations, we find, for temperatures of the order of the melting temperature of the unpinned lattice, a Bose glass type phase which at lower temperatures converts, via a first-order transition, to a Bragg glass, while, at higher temperatures, it crosses over to an interstitial liquid. At somewhat higher concentrations, no transition to a Bragg glass is found even at the lowest temperatures studied. While qualitatively the behavior we find is similar to that obtained using the same procedures for columnar pins normal to the layers, there are important and observable quantitative differences, which we discuss.

Landau-Zener problem with waiting at the minimum gap and related quench dynamics of a many-body system

We discuss a technique for solving the Landau-Zener (LZ) problem of finding the probability of excitation in a two-level system. The idea of time reversal for the Schrodinger equation is employed to obtain the state reached at the final time and hence the excitation probability. Using this method, which can reproduce the well-known expression for the LZ transition probability, we solve a variant of the LZ problem, which involves waiting at the minimum gap for a time t(w); we find an exact expression for the excitation probability as a function of t(w). We provide numerical results to support our analytical expressions. We then discuss the problem of waiting at the quantum critical point of a many-body system and calculate the residual energy generated by the time-dependent Hamiltonian. Finally, we discuss possible experimental realizations of this work.

Decoupled three-dimensional finite element computation of thermoelastic damping using Zener's approximation

We consider three dimensional finite element computations of thermoelastic damping ratios of arbitrary bodies using Zener's approach. In our small-damping formulation, unlike existing fully coupled formulations, the calculation is split into three smaller parts. Of these, the first sub-calculation involves routine undamped modal analysis using ANSYS. The second sub-calculation takes the mode shape, and solves on the same mesh a periodic heat conduction problem. Finally, the damping coefficient is a volume integral, evaluated elementwise. In the only other decoupled three dimensional computation of thermoelastic damping reported in the literature, the heat conduction problem is solved much less efficiently, using a modal expansion. We provide numerical examples using some beam-like geometries, for which Zener's and similar formulas are valid. Among these we examine tapered beams, including the limiting case of a sharp tip. The latter's higher-mode damping ratios dramatically exceed those of a comparable uniform beam.

Calculation of elastic pinning strength of semicoherent Y2BaCuO5 precipitates in YBa2Cu3O7

The pinning energy due to the elastic interaction of a semicoherent Y2BaCuO5 precipitate with the YBa2Cu3O7 matrix is computed. This is achieved by setting up dislocation arrays at the interface. The elastic stresses generated by such arrays are integrated over a fluxoid volume to obtain the energy. It is seen that this elastic interaction energy makes an additive contribution to the total J(c) value.

Growing dynamical facilitation on approaching the random pinning colloidal glass transition

Despite decades of research, it remains to be established whether the transformation of a liquid into a glass is fundamentally thermodynamic or dynamic in origin. Although observations of growing length scales are consistent with thermodynamic perspectives, the purely dynamic approach of the Dynamical Facilitation (DF) theory lacks experimental support. Further, for vitrification induced by randomly freezing a subset of particles in the liquid phase, simulations support the existence of an underlying thermodynamic phase transition, whereas the DF theory remains unexplored. Here, using video microscopy and holographic optical tweezers, we show that DF in a colloidal glass-forming liquid grows with density as well as the fraction of pinned particles. In addition, we observe that heterogeneous dynamics in the form of string-like cooperative motion emerges naturally within the framework of facilitation. Our findings suggest that a deeper understanding of the glass transition necessitates an amalgamation of existing theoretical approaches.