[論文レビュー] Plate-like precipitate effects on plasticity of Al-Cu alloys at micrometer to submicrometer scales

Peng Zhang, Jianjun Bian+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2019

Microstructure and mechanical properties参考文献 85被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、マイクロ・ピラーロード試験を用いて、ミクロンからサブミクロンスケールにおける板状のθ′-Al₂Cu析出相がAl-Cu合金の延性に与える影響を調査する。析出相は大規模なスケールでは強度を向上させ、ひずみのフラクチュエーションを抑制するが、スケールが小さくなると平均場ピンニングの崩壊によりその効果が低下し、析出相がピラーロード全体を覆う場合に最適な性能が得られ、ジャーブネスの低減と共通界面すべりおよび析出相のシーリングによる応力硬化の向上が見られる。

ABSTRACT

The continuous miniaturization of modern electromechanical systems calls for a comprehensive understanding of the mechanical properties of metallic materials specific to micrometer and sub-micrometer scales. At these scales, the nature of dislocation-mediated plasticity changes radically: sub-micrometer metallic samples exhibit high yield strengths, however accompanied by detrimental intermittent strain fluctuations compromising forming processes and endangering structural stability. In this paper, we studied the effects of plate-like $θ^\prime$-Al$_2$Cu precipitates on the strength, plastic fluctuations and deformation mechanisms of Al-Cu alloys from micro-pillar compression testing. The plate-like precipitates have diameters commensurate with the external size of the Al-Cu micro-pillars. Our results show that these plate-like precipitates can strengthen the materials and suppress plastic fluctuations efficiently at large sample sizes ($\geq 3 μm$). However, the breakdown of the mean-field pinning landscape at smaller scales weakens its taming effect on intermittency. Over an intermediate range of sample sizes allowing the precipitates to cross the entire pillar, an enhanced apparent strain hardening and a sharp decrease of jerkiness are observed, in association with the presence of {100}-slip traces along the coherent $θ^\prime$-Al$_2$Cu precipitate/$α$-Al matrix interface and precipitate shearing. These complex effects of plate-like precipitates on plasticity are analyzed, experimentally and theoretically, in view of the interferences between external and internal sizes, and the related modifications of the underlying plastic mechanisms.

研究の動機と目的

• ミクロンからサブミクロンスケールにおけるAl-Cu合金の力学的挙動を理解すること。このスケールでは従来の延性理論が破綻する。
• 板状のθ′-Al₂Cu析出相が、小スケール試料における降伏強度、塑性のフラクチュエーション、および変形メカニズムに与える影響を調査すること。
• 試料寸法に対して相対的な析出相のサイズおよび空間的配置が、塑性をどのように変化させるかを特定すること。
• 外部の試料サイズと内部の析出相構造との相互作用が、変形安定性を決定するメカニズムを分析すること。
• 実験的観察された応力硬化とジャーブネス（ひずみの不規則な変動）を、ナノスケールでのディスlocation-析出相相互作用の背後にあるメカニズムと結びつけること。

提案手法

• 直径がサブミクロンから数ミクロンにわたるさまざまなピラーロード直径を有するAl-Cu合金試料に対して、マイクロ・ピラーロード圧縮試験を実施した。
• ピラーロード軸に対する相対的なサイズ、形態、方位を含めた板状のθ′-Al₂Cu析出相の特徴を評価した。
• 荷重-変位曲線から、応力硬化行動およびひずみフラクチュエーション（ジャーブネス）を定量した。
• 透過型電子顕微鏡（TEM）を用いて、共通界面に沿う{100}すべり痕跡および析出相のシーリングの証拠を同定した。
• 理論的分析では、析出相サイズが試料サイズと同等に小さくなる小スケールにおいて、平均場ピンニングモデルの崩壊が生じることを検討した。
• 外部の試料サイズと内部の析出相寸法との干渉をモデル化し、異常な応力硬化と間欠的でない変形の低減を説明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 板状のθ′-Al₂Cu析出相は、ミクロンからサブミクロンスケールにおけるAl-Cu合金の降伏強度および延性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 析出相のサイズおよび試料寸法に対する空間的配置が、ひずみフラクチュエーションと変形安定性をどのように調節するか？
• RQ3 析出相がマイクロ・ピラーロード全体を覆う場合、なぜひずみ速度の間欠的変動（ジャーブネス）が急激に減少するのか？
• RQ4 共通界面と析出相のシーリングは、中間スケール領域における強化された応力硬化にどのように寄与するか？
• RQ5 平均場ピンニングモデルの崩壊が、サブミクロンスケールにおける延性の安定化の喪失を説明する程度はどの程度か？

主な発見

• 試料サイズが3 µm以上の場合、板状のθ′-Al₂Cu析出相はディスlocationの安定的ピンニングにより材料を効果的に強化し、塑性ひずみのフラクチュエーションを抑制する。
• 析出相がピラーロード全体を覆う中間スケール領域では、ひずみ速度の間欠的変動（ジャーブネス）が急激に低下し、変形安定性の向上が示された。
• 強化された見かけ上の応力硬化は、共通界面に沿う{100}すべり痕跡および析出相のディスlocationシーリングに起因する。
• サブミクロンスケールでは、平均場ピンニングのランドスケープの崩壊により、析出相が塑性ひずみフラクチュエーションを抑制する効果が低下し、不安定性が増加する。
• 外部の試料サイズと内部の析出相寸法との相互作用が、支配的な塑性変形メカニズムおよび全体的な機械的応答を決定づける。
• 本研究は、析出相サイズがピラーロード直径と一致する場合に最適な機械的性能が得られ、相乗的な強化と安定した変形が実現されることを示した。