[論文レビュー] Characterisation of microstructural creep, strain rate and temperature sensitivity and computational crystal plasticity in Zircaloy-4

Yang Liu, Weifeng Wan+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2021

Nuclear Materials and Properties参考文献 49被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、曲げクリープ試験、デジタル画像相関、電子線バックスクattering回折、結晶塑性モデリングを組み合わせることで、ジルコニウム合金Zircaloy-4における結晶レベルのひずみ速度および温度感受性を調査した。その結果、きず先端部近傍でのクロススリップの活性化が、マイクロスケールのクリープひずみを最大50%まで増大させることを明らかにした。また、粒レベルのひずみ速度感受性は不均一であり、不純物欠陥のスリップ活動に強く依存しており、ピラミッド型<c+a>スリップおよび不純物欠陥の詰まりが、強度および硬化に及ぼす温度感受性のテクスチャ効果を支配していることが分かった。

ABSTRACT

Crystal-level strain rate sensitivity and temperature sensitivity are investigated in Zircaloy-4 using combined of bending creep test, digital image correlation, electron backscatter detection and thermo-mechanical tensile tests with crystal plasticity modelling. Crystal rate-sensitive properties are extracted from room temperature microscale creep, and temperature sensitivity from thermal polycrystalline responses. Crystal plasticity results show that large microscale creep strain is observed near notch tip increased up to 50% due to cross-slip activation. Grain-level microscale SRS is highly heterogeneous, and its crystallographic sensitivity is dependent on plastic deformation rate and underlying grain-based dislocation slip activation. Pyramidal slip and total dislocation pileups contribute to temperature-sensitive texture effect on yielding and strength hardening. A faithful reconstruction of polycrystal and accurate rate-sensitive single-crystal properties are the key to capture multi-scale SRSs.

研究の動機と目的

• 室温下におけるZircaloy-4の結晶レベルのひずみ速度感受性を、マイクロスケールクリープ試験を用いて定量すること。
• 熱機械的引張試験を用いて、Zircaloy-4の多結晶応答の温度感受性を調査すること。
• 特にピラミッド型<c+a>スリップが、微細組織的変形挙動を支配する役割を理解すること。
• マルチスケール結晶塑性モデリングに使用する正確な単結晶レート感受性特性を確立すること。
• ひずみ速度感受性の微細組織的不均一性が、背後にある不純物欠陥スリップ活性化および結晶方位にどのように関連しているかを明らかにすること。

提案手法

• 局所的クリープひずみを制御された荷重下で測定するために、きず付きZircaloy-4試験片を用いたマイクロスケール曲げクリープ試験を実施した。
• クリープ試験中の全領域変位およびひずみの時間発展をマッピングするために、デジタル画像相関（DIC）を用いた。
• 結晶塑性モデリングの入力としての結晶方位および微細組織を特徴づけるために、電子線バックスクattering回折（EBSD）を用いた。
• 温度範囲を変えて熱機械的引張試験を実施し、温度依存の降伏および硬化応答を抽出した。
• 実験的にキャリブレーションされた単結晶レート感受性特性を用いて、結晶塑性有限要素モデルを実装した。
• マイクロスケールクリープおよびマクロスケール引張試験データを統合し、マルチスケールひずみ速度感受性を検証および精緻化するための結晶塑性モデルを構築した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Zircaloy-4におけるきず先端などの応力集中部近傍で、マイクロスケールクリープひずみはどのように変化するか？
• RQ2 クロススリップの活性化が、結晶レベルでの局所的クリープひずみ増大に果たす役割は何か？
• RQ3 結晶方位および不純物欠陥スリップ活動に応じて、粒レベルのひずみ速度感受性（SRS）はどのように変化するか？
• RQ4 ピラミッド型<c+a>スリップ系および不純物欠陥の詰まりが、温度感受性の降伏および硬化に及ぼす影響の程度はどの程度か？
• RQ5 実験的に導出された単結晶特性を用いたキャリブレーション済み結晶塑性モデルは、マルチスケールひずみ速度感受性を正確に予測できるか？

主な発見

• クロススリップの活性化により、きず先端部近傍のマイクロスケールクリープひずみは最大50%まで増大した。これは、高応力領域における局所的ひずみ増大を示している。
• 粒レベルのひずみ速度感受性（SRS）は顕著に不均一であり、塑性変形速度および支配的不純物欠陥スリップ系に強く依存していた。
• ピラミッド型<c+a>スリップおよび総不純物欠陥の詰まりが、降伏および強度硬化に及ぼす温度感受性テクスチャ効果の主要因であると特定された。
• 多結晶微細組織の忠実な再構築および正確な単結晶レート感受性特性が、マルチスケールひずみ速度感受性を捉えるために不可欠であった。
• マイクロスケールおよびマクロスケールのデータを用いたキャリブレーションにより、結晶塑性モデルは実験的クリープおよび引張挙動を良好に再現した。
• 強度の温度感受性は、結晶学的テクスチャおよび不純物欠陥ダイナミクス、特に高スリップ活動を示す粒において強く影響を受けていた。