[論文レビュー] Strengthening magnesium by design: integrating alloying and dynamic processing

Suhas Eswarappa Prameela, Peng Yi+7 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2021

Magnesium Alloys: Properties and Applications被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、溶質クラスタリングおよび析出を制御するために合金化と動的熱機械処理を統合する設計戦略を提案し、Mg合金の強度を向上させる。変形誘起核化（DIP）を活用することで、低温でも微細で高密度の析出相を形成でき、相乗効果的なキログリッドおよびタイニング抵抗メカニズムにより、強度が顕著に向上する。

ABSTRACT

Magnesium (Mg) has the lowest density of all structural metals and has excellent potential for wide use in structural applications. While pure Mg has inferior mechanical properties; the addition of further elements at various concentrations has produced alloys with enhanced mechanical performance and corrosion resistance. An important consequence of adding such elements is that the saturated Mg matrix can locally decompose to form solute clusters and intermetallic particles, often referred to as precipitates. Controlling the shape, number density, volume fraction, and spatial distribution of solute clusters and precipitates significantly impacts the alloy's plastic response. Conversely, plastic deformation during thermomechanical processing can dramatically impact solute clustering and precipitation. In this paper, we first discuss how solute atoms, solute clusters, and precipitates can improve the mechanical properties of Mg alloys. We do so by primarily comparing three alloy systems: Mg-Al, Mg-Zn, and Mg-Y-based alloys. In the second part, we provide strategies for optimizing such microstructures by controlling nucleation and growth of solute clusters and precipitates during thermomechanical processing. In the third part, we briefly highlight how one can enable inverse design of Mg alloys by a more robust Integrated Computational Materials Design (ICMD) approach.

研究の動機と目的

• HCP結晶構造に起因する塑性変形の固有の制限を克服することで、構造用途に適した高強度・軽量Mg合金を実現する挑戦に応えること。
• Mg-Al、Mg-Zn、Mg-Y系において、強度を支配する微細組織的特徴（溶質原子、クラスタ、析出相）を特定し、最適化すること。
• 動的欠陥工学を活用して、析出相の核化および成長を正確に制御できる、プロセシング-構造-性質の枠組みを構築すること。
• マルチスケールモデリングと実験的検証を基盤とする統合的計算材料設計（ICMD）アプローチを用いて、逆設計によるMg合金の開発を可能にすること。

提案手法

• 原子スケールでの溶質クラスタリングおよび析出速度の動態をモデル化するため、分子動力学（MD）およびモンテカルロ（MC）シミュレーションを用いる。
• 古典的核化理論（CNT）およびCottrell-Eshelbyモデルを用いて、キログリッドおよびバキュオリティが不均一核化に果たす役割を定量化する。
• 低温でも核化を促進し、析出相のサイズを微細化するために、変形誘起析出（DIP）を適用し、キログリッドおよびバキュオリティを注入する。
• 原子プローブトモグラフィ（APT）、透過電子顕微鏡（TEM）、小角X線散乱（SAXS）などの実験的手法を統合し、欠陥および析出相の分布を定量的に評価する。
• 構造-性質およびプロセシング-構造関係を統合した、統一的なICMDフレームワークを構築し、逆合金設計を可能にする。
• 結晶塑性およびキログリッド動力学（DD）モデルを用いて、異なる溶質および析出相条件下でのすべりおよびタイニング挙動をシミュレートする。

Figure 1: Comparison of pre- and post-heat treatment yield strengths of selected commercial Mg and Al alloys [Committee et al., 1990 , Bauccio et al., 1993 , John M. Holt, 1996 , Avedesian et al., 1999 , Association, 2015 , Association et al., 2000 ] .

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HCP結晶構造を有するMgにおいて、溶質原子、クラスタ、析出相がキログリッドおよびタイニングにどのように作用し、塑性変形に影響を与えるか。
• RQ2 欠陥を介した不均一核化によって、特に低温でのナノスケール析出相の核化がどのように促進されるか。
• RQ3 低温でも高体積分率で微細な析出相を得るために、変形誘起析出（DIP）をどのように最適化できるか。
• RQ4 溶質化学組成、濃度、温度が、Mg合金の降伏強度および加工硬化挙動に果たす役割は何か。
• RQ5 統合的計算材料設計（ICMD）フレームワークをどのように構築し、高性能Mg合金の逆設計を可能にするか。

主な発見

• 変形誘起析出（DIP）は、キログリッドおよびバキュオリティを核化サイトとして活用することで、核化速度を顕著に向上させ、低温でも微細な析出相を形成可能にする。
• Mg-Al、Mg-Zn、Mg-Y合金における溶質クラスタおよび析出相は、主にキログリッドピンニングおよびタイニング界面抵抗によってマトリックスを強化し、析出相間隔（λe）および体積分率（f）が重要なパラメータである。
• 特にMg-YおよびMg-Zn系において、溶質クラスタリングおよび析出相強化により、すべりの臨界すべり応力（CRSS）が最大200 MPaまで上昇する。
• キログリッド密度（ρ）およびバキュオリティ濃度は、不均一核化の主要因であり、DIPは均一核化と比較して核化速度を数個のオーダー上昇させる。
• ICMDフレームワークにより、プロセシングパラメータ（例：ひずみ速度、温度）と微細組織の進化および機械的応答との関係を、妥当なマルチスケールモデルを用いて予測的設計が可能になる。
• APTおよびTEMによる実験的検証により、DIPが平均直径10 nm未満、間隔20 nm未満の析出相を生成することが確認され、強度向上効率が最大化されている。

Figure 2: CRSS for slip and twinning systems for pure Mg single-crystals. Data adapted from Nie et al. [ 2020a ]