[논문 리뷰] A discrete dislocation dynamics study of precipitate bypass mechanisms in nickel-based superalloys

Sabyasachi Chatterjee, Yang Li외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 12.

High Temperature Alloys and Creep참고 문헌 72인용 수 71

한 줄 요약

이 연구는 니켈 기반 니켈 합금에서 비틀림 결함이 어떻게 γ′ 상을 우회하는지 분석하기 위해 이산 결함 역학(DDD) 시뮬레이션을 사용하며, 일반화된 격자 결함 에너지 힘을 계산하기 위한 새로운 유표수 기반 방법을 도입한다. 연구는 다양한 침전상 부피율과 반경에서 하이브리드 전단-루핑 메커니즘이 작동하며, 이는 강도에 상당한 영향을 미친다는 것을 입증한다. 또한 격자 불일치가 우회 응력 증가에 기여하며, 높은 불일치는 고온 크리프와 유사한 핀딩 주도 우회 메커니즘으로 이어진다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

Order strengthening in nickel-based superalloys is associated with the extra stress required for dislocations to bypass the $\gamma'$ precipitates distributed in the $\gamma$ matrix. A rich variety of bypass mechanism has been identified, with various shearing and Orowan looping processes giving way to climb bypass as the operating conditions change from the low/intermediate temperatures and high stress regime, to the high temperature and low stress regime. When anti phase boundary (APB) shearing and Orowan looping mechanisms operate, the bypass mechanism changes from shearing to looping with increased particle size and within a broad coexistence size window. Another possibility, supported by indirect experimental evidence, is that a third "hybrid" transition mechanism may operate. In this paper we use discrete dislocation dynamics (DDD) simulations to study dislocation bypass mechanisms in Ni-based superalloys. We develop a new method to compute generalized stacking fault forces in DDD simulations. We use this method to study the mechanisms of bypass of a square lattice of spherical $\gamma'$ precipitates by $a/2\langle110 angle\{111\}$ edge dislocations, as a function of the precipitates volume fraction and size. We show that the hybrid mechanism is possible and it operates as a transition mechanism between the shearing and looping regimes over a large range of precipitates volume fraction and radii. We also consider the effects of a $\gamma/\gamma'$ lattice misfit on the bypass mechanisms, which we approximate by an additional precipitate stress computed according to Eshelby's inclusion theory. We show that in the shearing and hybrid looping-shearing regimes, a lattice misfit generally results in an increased bypass stress. For sufficiently high lattice misfit, the bypass stress is controlled by the pinning of the trailing dislocation on the exit side of the precipitates.

연구 동기 및 목표

• 다양한 미세구조적 조건과 하중 조건에서 니켈 기반 니켈 합금에서 결함이 γ′ 침전상을 어떻게 우회하는지 메커니즘을 조사하기 위해.
• 복소해석학에서의 유표수 개념을 활용해 일반화된 격자 결함 에너지 힘을 계산하기 위한 새로운 DDD 방법을 개발하고 적용하기 위해.
• 하이브리드 전단-루핑 우회 메커니즘이 작동하는 조건을 규명하고, 이가 재료의 강도에 기여하는 정도를 정량화하기 위해.
• γ/γ′ 격자 불일치가 우회 응력에 미치는 영향을 분석하고, Eshelby의 포함체 이론을 사용해 불일치로 인한 응력 효과를 모델링하기 위해.
• 시뮬레이션 결과를 바탕으로 하이브리드 우회 메커니즘의 강도 기여도를 예측할 수 있는 단순한 모델을 제안하기 위해.

제안 방법

• 이산 결함 역학(DDD) 프레임워크를 사용해 정사각형 격자에 배열된 구형 γ′ 침전상에 대해 a/2⟨110⟩{111} 모서리 결함의 우회를 시뮬레이션한다.
• 폐쇄된 곡선이 점을 둘러싸는 유표수를 이용해 일반화된 격자 결함 에너지 힘을 계산하는 새로운 방법을 개발하여, 격자 결함 에너지 경관을 정확하게 표현할 수 있도록 한다.
• γ 및 γ′ 상의 격자 결함 에너지(SFE) 표면은 波벡터 성분과 실험/원자역학적 데이터를 사용해 피팅하여 정확한 SFE 기술을 확보한다.
• 격자 불일치는 Eshelby의 포함체 이론을 통해 모델링되며, 고유변형으로 인한 추가 응력장을 계산하여 γ/γ′ 불일치의 영향을 시뮬레이션한다.
• 결함 운동과 시뮬레이션 중 응력 감소를 추적함으로써 임계 우회 구성을 식별하며, 우회 응력은 우회로 인한 응력 감소 이전의 최대 응력으로 정의된다.
• 시뮬레이션 데이터와 기하학적 제약 조건을 바탕으로 하이브리드 메커니즘의 강도 기여도를 위한 단순한 분석 모델을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 침전상 크기와 부피율 조건에서 니켈 기반 니켈 합금에서 순수 전단과 Orowan 루핑 사이의 하이브리드 결함 우회 메커니즘이 존재하는가?
• RQ2 최근 개발된 유표수 기반 일반화된 격자 결함 에너지 힘 계산 방법이 DDD 시뮬레이션에서 우회 메커니즘을 더 정확히 포착하는 데 어떻게 기여하는가?
• RQ3 다양한 침전상 크기와 부피율에서 하이브리드 메커니즘이 전체 우회 응력에 기여하는 정량적 기여도는 얼마인가?
• RQ4 γ/γ′ 격자 불일치는 우회 응력에 어떤 영향을 미치며, 이는 주요 우회 메커니즘 또는 임계 구성을 변화시키는가?
• RQ5 시뮬레이션 데이터를 바탕으로 하이브리드 우회 메커니즘의 강도 기여도를 예측할 수 있는 단순한 분석 모델을 유도할 수 있는가?

주요 결과

• 하이브리드 전단-루핑 메커니즘은 순수 전단과 루핑 사이의 전이 메커니즘으로서 존재할 뿐 아니라, 다양한 침전상 부피율과 반경에서 주요 전이 메커니즘으로 작동함을 입증하여 고전적 이중 영역 모델에 도전한다.
• 결함 쌍의 경우, 앞서가는 결함의 루프로 인한 반발력 상호작용으로 인해 뒤따르는 루프의 닫힘을 방해하므로, BKS 모델이 예측한 것보다 우회 응력이 높아진다.
• 격자 불일치가 증가할수록 우회 응력도 증가하며, 충분히 높은 불일치에서는 임계 구성이 침전체의 출구 측면에서 뒤따르는 결함의 핀딩에 의해 지배되는 것으로 변화한다.
• 시뮬레이션 결과는 하이브리드 메커니즘이 강도에 상당한 기여를 한다는 것을 보여주며, 특히 전단과 루핑 사이의 전이 영역에서 두드러진다.
• 제안된 하이브리드 메커니즘의 강도 기여도를 위한 단순 모델은 시뮬레이션 데이터로 검증되었으며, 미세구조 설계를 위한 예측 프레임워크를 제공한다.
• 연구는 격자 불일치가 우회 메커니즘을 극적으로 변화시킬 수 있음을 확인하였으며, 고불일치에서는 전단/루핑에서 핀딩 주도 행동으로 전이됨을 확인하였고, 이는 고온 크리프 관측 결과와 일치한다.