[論文レビュー] Rules of plastic strain-induced phase transformations and nanostructure evolution under high-pressure and severe plastic flow

Lin Feng, Valery I. Levitas+3 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2023

High-pressure geophysics and materials被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、ダイヤモンドアノイルセル（DAC）における粗いダイヤモンドアノイル（rough-DA）が、結晶子径の低減と不純物密度の上昇により安定したナノ構造を形成することで、予め加工されたジルコニウムにおけるひずみ誘起α→ω相転移を記録的な低圧0.67 GPaで実現できることを明らかにした。転移のkineticsは予想に反して時間依存であり、ω相体積分率で正規化すると、ひずみ経路や塑性ひずみテンソルに依存しなくなる。

ABSTRACT

Rough diamond anvils (rough-DA) are introduced to intensify all occurring processes during an in-situ study of heterogeneous compression of strongly pre-deformed Zr in diamond anvil cell (DAC). Crystallite size and dislocation density of Zr are getting pressure-, plastic strain tensor- and strain-path-independent during α-ω phase transformation (PT) and depend solely on the volume fraction of ω-Zr. Rough-DA produce a steady nanostructure in α-Zr with lower crystallite size and larger dislocation density than smooth-DA, leading to a two-time reduction in a minimum pressure for α-ω PT to a record value 0.67 GPa. The kinetics of strain-induced PT unexpectedly depends on time.

研究の動機と目的

• 粗いダイヤモンドアノイル（rough-DA）が高圧下における塑性ひずみ誘起相転移をどのように強化するかを調査すること。
• ジルコニウムにおけるα→ω相転移の過程で、圧力とひずみに伴うナノ構造進化（特に結晶子径と不純物密度）がどのように変化するかを特定すること。
• ひずみ誘起相転移のkineticsが時間、ひずみ経路、または塑性ひずみテンソルに影響を受けるかどうかを同定すること。
• 処理履歴に依存せず、ω相体積分率にのみ依存する相転移が成立する条件を確立すること。
• in-situ DAC実験を用いて、Zrにおけるα→ω相転移に必要な最小圧力を記録的に低減すること。

提案手法

• 予め加工されたジルコニウムにおける相転移を調査するため、滑らかなダイヤモンドアノイル（smooth-DA）と粗いダイヤモンドアノイル（rough-DA）を用いたin-situ高圧実験を実施した。
• rough-DAを用いて塑性流れとひずみ局在を強化し、圧縮過程におけるより均一なナノ構造進化を促進した。
• 圧力とひずみの変動下でのナノ構造進化を定量化するため、X線回折（XRD）分析を用いて結晶子径と不純物密度を測定した。
• 相転移kineticsを評価するため、圧力と時間の関数としてω相体積分率を追跡した。
• smooth-DAとrough-DAの結果を比較し、アノイル表面の粗さが相転移閾値およびナノ構造安定性に与える影響を分離した。
• ひずみ経路および塑性ひずみテンソルに依存するかを分析した結果、ω相体積分率で正規化すると独立することが判明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 粗いダイヤモンドアノイル（rough-DA）の使用が、ジルコニウムにおけるα→ω相転移に必要な最小圧力にどのように影響するか？
• RQ2 α-Zrにおける結晶子径と不純物密度が、相転移の過程で圧力、塑性ひずみテンソル、およびひずみ経路にどの程度依存するか？
• RQ3 高圧および重度の塑性流れ下で、ひずみ誘起相転移のkineticsが時間依存を示すか？
• RQ4 ω相体積分率で正規化することで、相転移をひずみ経路や塑性ひずみテンソルから分離できるか？
• RQ5 ナノ構造進化（結晶子径と不純物密度）が、低圧相転移を可能にする役割は何か？

主な発見

• 粗いダイヤモンドアノイルを用いることで、ジルコニウムにおけるα→ω相転移に必要な最小圧力が0.67 GPaまで低下し、記録的な低値となった。
• rough-DAは、smooth-DAと比較して、より小さな結晶子径と高い不純物密度を有する安定したナノ構造を生成した。
• ω相体積分率で正規化すると、結晶子径と不純物密度は圧力、塑性ひずみテンソル、およびひずみ経路に依存しなくなった。
• ひずみ誘起相転移のkineticsは時間依存であることが判明し、予想される即時的挙動とは反していた。
• 相転移プロセスはω相体積分率によって完全に支配され、普遍的なスケーリング行動を示していることがわかった。
• 本研究は、ダイヤモンドアノイルの表面粗さが、ひずみ局在性とナノ構造制御を強化することで、低圧相転移を可能にする重要な要因であることを示した。