[論文レビュー] Grain Boundary Softening from Stress Assisted Helium Cavity Coalescence in Ultrafine-Grained Tungsten

W. S. Cunningham, Y. Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2023

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ひとこと要約

本研究では、高温・低フルエンス条件下で、優先的に晶界にバブルが形成されることにより局所的変形が生じる中、超微粒子炭化タングステンにおける晶界の軟化が、応力駆動型ヘリウムキャビティの凝集によって生じることを示している。原子スケールのシミュレーションにより、応力集中が協同的変形メカニズム（原子の入れ替え、転位発生、不安定なタングステンの生成など）を駆動し、凝集を加速させ、硬度を低下させることを確認した。

ABSTRACT

The formation of helium cavities in coarse-grained materials produces hardening proportional to the number density and size of the cavities and due to the interaction of dislocations with intragranular helium defects. In nanostructured metals containing a high density of interfacial sinks, preferential cavity formation on the grain boundaries instead produces softening and often attributed to enhanced interfacial plasticity. Employing two grades of ultrafine-grained tungsten, we explore this effect using targeted implantation studies to map cavity evolution as a function of the irradiation conditions and quantify its impact on the mechanical response through nanoindentation. Softening is reported at implantation temperatures above the threshold for preferential grain boundary cavity formation but at a sufficiently low fluence prior to the growth of intragranular cavities. Collective changes in the mean cavity size, density, and morphology beneath a residual impression on an implanted surface indicate that cavity coalescence accompanied the reduction in hardness. Complementary atomistic simulations demonstrate that, in tungsten grain structures exhibiting softening, grain boundary bubble coalescence is driven by stress concentrations that further act to localize strain in the grain boundaries through cooperative deformation processes involving local atomic shuffling and sliding, dislocation emission, and even the nucleation of unstable twinning events.

研究の動機と目的

• ヘリウムイオン注入条件下における超微粒子炭化タングステンの機械的軟化機構を調査すること。
• 放射線条件下における晶界の役割がヘリウムバブルの核生成および進化に与える影響を特定すること。
• 観察された硬度低下を、キャビティの凝集や形態変化といった微細構造的変化と結びつけること。
• シミュレーションを用いて、晶界における局所的塑性変形を駆動する原子スケールのメカニズムを解明すること。
• ナノインデンテーションおよびイオン注入実験を用いて、軟化の始発条件（温度、フルエンス）を定量すること。

提案手法

• フルエンスと温度を制御するため、2種類の超微粒子炭化タングステンに標的ヘリウムイオン注入を実施した。
• 照射条件の関数としての硬度変化を測定するため、ナノインデンテーションを実施した。
• インデンテーション面下のキャビティのサイズ、密度、形態を分析するため、透過型電子顕微鏡（TEM）を用いた。
• 晶界における応力駆動型キャビティ凝集および変形メカニズムをモデル化するため、原子スケールのシミュレーションを実施した。
• 機械的軟化と相関するため、平均キャビティサイズ、密度、形状の集合的変化を追跡した。
• 晶界における応力集中が塑性変形に与える影響を分析し、転位発生およびタングステンの核生成を含めた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超微粒子炭化タングステンにおいて、晶界の軟化が顕著になる温度およびフルエンスは何か？
• RQ2 晶界における応力集中がヘリウムキャビティの凝集および塑性変形にどのように影響するか？
• RQ3 キャビティ凝集中に活性化される原子スケールの変形メカニズム（例：転位発生、タングステンの生成）は何か？
• RQ4 なぜ晶界にヘリウムが蓄積すると、粗粒素材とは異なり軟化が生じるのか？
• RQ5 インデンテーション面下でのキャビティ形態および密度の変化は、測定された硬度低下とどのように相関するか？

主な発見

• 晶界にキャビティが優先的に形成される閾値温度を超えた条件下で、超微粒子炭化タングステンに軟化が観察されたが、このときイントラグレインキャビティはまだ形成していなかった。
• 硬度の低下は、インデンテーションインプレッション下で平均キャビティサイズ、密度、形態的変化の集合的増加と直接相関していた。
• 原子スケールのシミュレーションにより、晶界における応力集中がキャビティの凝集を駆動し、局所的原子の入れ替え、転位発生、不安定なタングステンの生成を含む協同的変形メカニズムを促進することが明らかになった。
• 晶界の軟化は、内部欠険の相互作用による硬化が一般的に見られる粗粒素材とは対照的に、界面の塑性変形の増強に起因する。
• 軟化の始発は、界面ひずみ局在の出現と一致しており、欠陥による硬化から欠陥による軟化への遷移を示している。
• キャビティの凝集が観察された機械的軟化の主因であることが判明し、孤立したバブル成長や転位ピンニングよりも顕著であった。