[論文レビュー] Strain-Rate-Dependent Deformation Behavior of Ti29Zr24Nb23Hf24 High Entropy Alloys at Elevated and Room Temperature

Tangqing Cao, Wenqi Guo+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2020

High Entropy Alloys Studies参考文献 37被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、高温および常温下における難鉄高エントロピー合金 Ti29Zr24Nb23Hf24 のひずみ速度依存性変形挙動を調査する。高温・低ひずみ速度条件下では、不純物欠陥の集積による動的軟化が支配的であるが、高ひずみ速度または低温条件下では、ねじれ帯の形成と動的再結晶化が応力ひずみの硬化を引き起こす。TEM分析により、不純物壁と亜粒界の発展が明らかになった。

ABSTRACT

We investigate the strain-rate-dependent mechanical behavior and deformation mechanisms of a refractory high entropy alloy, Ti29Zr24Nb23Hf24 (at.%), with a single-phase body-centered cubic (BCC) structure. High-temperature compression tests were conducted at temperatures from 700 to 1100°C at strain rates ranging from 10-3 to 10 s-1. A sudden stress drop after yield point was observed at higher temperatures and lower strain rates with the Zener-Holloman parameter, lnZ, in the range of 17.2-20.7. Such a softening behavior can be related to the interaction of dislocations with short-range clustering. However, at higher strain rates or lower temperatures (lnZ>25.0), kink bands were activated being responsible for the continuous strengthening of the alloy in competition with the softening mechanism. Systematic TEM investigations reveal that dislocation walls formed along {110} planes and dislocation loops were observed at a low strain of 6% at a high strain rate of 1 s-1 and 800°C. Kink band induced dynamic recrystallization is evident upon further straining. On the other hand, at low strain rate of 10-3 s-1 and 800°C, discontinuous recrystallization mechanisms become dominant with arrays of dislocations forming in front of the bulged boundaries of parent grains. These sub-grain boundaries eventually turn into high-angle grain boundaries. We also investigate the deformation mechanism of the alloy under extremely high strain rate (103 s-1) at room temperature. The specimen exhibits extensive kink bands with arrays of dislocation walls. As further strained, multiple slip systems can be activated and the interaction of dislocation walls plays a vital role in the strain hardening of the alloy.

研究の動機と目的

• 難鉄高エントロピー合金 (Ti29Zr24Nb23Hf24) の高温および常温下におけるひずみ速度依存性変形挙動を理解すること。
• 異なるひずみ速度および温度条件下での支配的変形メカニズムを同定すること。
• 不純物壁やねじれ帯の形成といった微細組織の変化を、マクロな応力-ひずみ応答と関連付けること。
• 動的再結晶化および亜粒界の形成が、応力ひずみの硬化と軟化に果たす役割を調査すること。
• 常温下での極端なひずみ速度（最大10³ s⁻¹）が、変形メカニズムに与える影響を検討すること。

提案手法

• 700–1100 °Cの高温圧縮試験を、ひずみ速度10⁻³〜10 s⁻¹の範囲で実施し、ひずみ速度依存性の機械的挙動をマップする。
• Zener-Hollomanパラメータ（lnZ）を用いて、温度およびひずみ速度の変形挙動への影響を相関づける。
• 透過電子顕微鏡（TEM）を用いて、不純物壁（{110}面に沿って）および低ひずみ時の不純物ループの解析を実施。
• 亜粒界境界の形成および高角粒界への変換を追跡し、再結晶化メカニズムを同定する。
• 超高速ひずみ速度（10³ s⁻¹）での常温試験を実施し、ねじれ帯および不純物壁の発達を評価する。
• 観察された微細組織とマクロな応力低下・ひずみ硬化挙動を相関づけ、軟化と強化機構を区別する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高温下におけるTi29Zr24Nb23Hf24高エントロピー合金のひずみ速度は、変形挙動にどのように影響するか？
• RQ2 高温・低ひずみ速度条件下で観察された降伏後の応力低下の背後にある微細組織的メカニズムは何か？
• RQ3 高ひずみ速度または低温条件下で、ねじれ帯および不純物壁はどのようにひずみ硬化に寄与するか？
• RQ4 動的再結晶化は変形過程において果たす役割は何か？また、ひずみ速度および温度に応じてその役割はどのように変化するか？
• RQ5 常温下における超高速ひずみ速度条件下の変形メカニズムは、高温領域とどのように異なるか？

主な発見

• 800 °C以上および10⁻³ s⁻¹の低ひずみ速度条件下で、降伏後の急激な応力低下が観察された。Zener-Hollomanパラメータ（lnZ）は17.2〜20.7の範囲にあり、不純物の集積による動的軟化を示唆している。
• 高ひずみ速度（1 s⁻¹）または低温（lnZ > 25.0）条件下では、ねじれ帯の形成が支配的となり、軟化メカニズムを相殺する連続的なひずみ硬化が生じた。
• 800 °Cおよび1 s⁻¹のひずみ速度条件下で、{110}面に沿って不純物壁が形成され、6%の低ひずみ時において不純物ループが観察された。これは初期段階の不純物活動を示している。
• さらにひずみを加えると、ねじれ帯誘発の動的再結晶化が観察され、亜粒界境界が高角粒界に発展した。
• 10⁻³ s⁻¹の低ひずみ速度および800 °C条件下では、不連続的再結晶化が支配的であり、膨らんだ粒界の前線に不純物アレイが形成され、高角境界に進化した。
• 常温下で超高速ひずみ速度（10³ s⁻¹）を適用した場合、広範なねじれ帯および不純物壁のアレイが形成され、複数のすべり系が活性化され、不純物壁の相互作用がひずみ硬化の主要因となった。