[論文レビュー] Orientation dependent pinning of (sub)grains by dispersoids during recovery and recrystallization in an Al-Mn alloy

Håkon Wiik Ånes, Antonius T. J. van Helvoort+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2022

Aluminum Alloy Microstructure Properties被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、冷延処理および非等温アニール処理を施したAl-Mn合金において、(準)粒と析出相を直接相関させることで、回復および再結晶化過程における方位依存のピン留めを解明した。立方体（Cube）準粒は、析出相密度が高いため、PやCubeND準粒よりも強いスミス＝ツェナー抵抗を受けることが示され、Al-Mn合金において共存析出が進行する中で、通常好まれるCubeテクスチャに代わりPおよびCubeNDテクスチャが優位になる理由が説明された。

ABSTRACT

The recrystallized grain size and texture in alloys can be controlled via the microchemistry state during thermomechanical processing. The influence of concurrent precipitation on recovery and recrystallization is here analyzed by directly correlating (sub)grains of P, CubeND or Cube orientation with second-phase particles in a cold-rolled and non-isothermally annealed Al-Mn alloy. The recrystallized state is dominated by coarse elongated grains with a strong P, weaker CubeND and even weaker Cube texture. The correlated data enables orientation dependent quantification of the density and size of dispersoids on sub-boundaries and subgrains in the deformation zones around large constituent particles. A new modified expression for the Smith-Zener drag from dispersoids on sub-boundaries is derived and used. The results show that the drag on (sub)grain boundaries from dispersoids is orientation dependent, with Cube subgrains experiencing the highest drag after recovery and partial recrystallization. The often observed size advantage of Cube subgrains in Al alloys is not realized due to the increased drag, thereby promoting particle-stimulated nucleation (PSN). Relatively fewer and larger dispersoids in deformation zones around large particles give a reduced Smith-Zener drag on PSN nuclei, thus further strengthening the effect of PSN. Observations substantiating the stronger P texture compared to the CubeND texture are a higher frequency of P subgrains and a faster growth of these subgrains. The applied methodology enables a better understanding of the mechanisms behind the orientation dependent nucleation and growth behavior during recovery and recrystallization with strong concurrent precipitation in Al-Mn alloys. In particular, the methodology gives new insights into the strong P and CubeND textures compared to the Cube texture.

研究の動機と目的

• 共存析出を伴うAl-Mn合金におけるPおよびCubeND再結晶テクスチャの強さの背後にあるメカニズムを理解すること。
• 回復および再結晶化過程における析出相が(準)粒界面に及ぼす方位依存効果を定量すること。
• 非等温アニール処理と共存析出の下で、通常好まれるCubeテクスチャがなぜPおよびCubeNDテクスチャに抑制されるのかを解明すること。
• 粒子刺激核化（PSN）および改変されたスミス＝ツェナー抵抗がテクスチャ発達に果たす役割を評価すること。
• 高度な顕微鏡技術および解析手法を用いて、(準)粒と析出相の直接的な空間的相関を確立すること。

提案手法

• 本研究では、(準)粒の方位マッピングに電子バックストリート回折（EBSD）を用い、析出相および成分粒子の位置特定にバックスクattered電子（BSE）像を組み合わせた、新規の直接相関手法を考案した。
• 冷延処理したAl-Mn合金を非等温アニール処理した後、大きな成分粒子および析出相の周囲の変形領域における準粒、および(準)粒界面における析出相の分布を分析した。
• 方位依存ピン留め力の定量的評価を目的として、改変されたスミス＝ツェナー抵抗式を導出し、適用した。
• 統計的分析により、回復および再結晶化の各段階におけるP、CubeND、Cube準粒の界面における析出相密度、粒子サイズ、および分布を比較した。
• 本手法により、異なる結晶学的方位を有する準粒の核化および成長挙動を定量的に比較可能となった。
• データ処理にはMTEX、ImageJ、およびJupyterノートブックを用い、すべてのコードおよびデータセットを公開した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共存析出が進行するAl-Mn合金において、Cube準粒に比してサイズに優位性があるにもかかわらず、なぜPテクスチャがCubeテクスチャよりも強いのか？
• RQ2 回復および再結晶化過程において、P、CubeND、Cube準粒の(準)粒界面における析出相の分布および粒子サイズはどのように変化するのか？
• RQ3 改変されたスミス＝ツェナー抵抗モデルは、析出相による(準)粒の方位依存ピン留めをどの程度正確に説明できるのか？
• RQ4 大きな成分粒子の周囲の変形領域は、析出相によるピン留めが弱いため、粒子刺激核化（PSN）を促進する役割を果たすのか、そのメカニズムは何か？
• RQ5 再結晶化後のP粒界面における析出相密度が、CubeNDおよびCube粒の界面に比べて顕著に低いのはなぜか？この差がテクスチャ進化にどのように影響するのか？

主な発見

• 回復および部分的再結晶化後に、Cube準粒は界面に高い析出相密度を有するため、最も強いスミス＝ツェナー抵抗を受ける。このため、成長が抑制され、粒子刺激核化（PSN）が促進される。
• PテクスチャがCubeテクスチャを上回る理由は、サイズの優位性ではなく、P準粒の頻度の高さおよび回復・再結晶化段階における高速な成長率に起因する。
• 大きな成分粒子の周囲の変形領域には、粒子数が少なく、かつ粒子が大きい析出相が存在するため、PSN核におけるスミス＝ツェナー抵抗が低減され、PSN効果が強化される。
• PテクスチャとCubeNDテクスチャの唯一の顕著な差は、再結晶化後のP粒界面における析出相密度がCubeND粒の界面に比べて低いことであるが、この差はさらなる統計的検証を要する。
• 改変されたスミス＝ツェナー抵抗式は、方位依存ピン留めを正確に捉えており、共存析出下でのCubeテクスチャの抑制およびPおよびCubeNDテクスチャの優位性を説明できる。
• 直接的なEBSD-BSE相関手法により、Al-Mn合金の回復および再結晶化過程における微細化学的要因と微細組織進化の相互作用について、前例のない定量的知見が得られた。