[논문 리뷰] Characterisation of microstructural creep, strain rate and temperature sensitivity and computational crystal plasticity in Zircaloy-4

Yang Liu, Weifeng Wan외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 11.

Nuclear Materials and Properties참고 문헌 49인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 굴절 피로 시험, 디지털 영상 관련 기술, 전자 반사 회절, 결정 고분체 모델링을 통합하여 지르칼로이-4에서 결정 수준의 변형률 속도 및 온도 민감도를 조사한다. 연구 결과, 균열 끝부리 근처에서의 교차 슬립 활성화로 인해 마이크로스케일 피로 변형률이 최대 50% 증가함을 밝혀냈으며, 이는 고응력 영역에서 국소적 변형률 증가를 시사한다. 또한 결정립 수준의 변형률 속도 민감도는 고도로 이질적이며, 비틀림 결함의 이동 활동에 크게 의존한다. 피라미드형 <c+a> 슬립과 비틀림 결함의 쌓임은 강도 및 피로 경화에 영향을 주는 온도 민감성 문턱 효과를 이끌어낸다.

ABSTRACT

Crystal-level strain rate sensitivity and temperature sensitivity are investigated in Zircaloy-4 using combined of bending creep test, digital image correlation, electron backscatter detection and thermo-mechanical tensile tests with crystal plasticity modelling. Crystal rate-sensitive properties are extracted from room temperature microscale creep, and temperature sensitivity from thermal polycrystalline responses. Crystal plasticity results show that large microscale creep strain is observed near notch tip increased up to 50% due to cross-slip activation. Grain-level microscale SRS is highly heterogeneous, and its crystallographic sensitivity is dependent on plastic deformation rate and underlying grain-based dislocation slip activation. Pyramidal slip and total dislocation pileups contribute to temperature-sensitive texture effect on yielding and strength hardening. A faithful reconstruction of polycrystal and accurate rate-sensitive single-crystal properties are the key to capture multi-scale SRSs.

연구 동기 및 목표

• 실온에서 미세구조적 피로 시험을 통해 지르칼로이-4의 결정 수준 변형률 속도 민감도를 정량화한다.
• 열기계적 인장 시험을 통해 지르칼로이-4의 다결정 거동에 대한 온도 민감도를 조사한다.
• 특히 피라미드형 <c+a> 슬립을 포함한 결정학적 슬립계의 역할이 미세구조적 변형 거동을 어떻게 규정하는지 이해한다.
• 다중 척도 결정 고분체 모델링에 사용하기 위한 정확한 단일 결정 비율 민감성 물성치를 확립한다.
• 기본적인 비틀림 결함 슬립 활성화와 결정립 방향에 기반한 변형률 속도 민감도의 미세구조적 이질성 간의 연관성을 규명한다.

제안 방법

• 제어된 하중 조건에서 국부적 피로 변형률을 측정하기 위해 노치가 가공된 지르칼로이-4 시편을 대상으로 미세구조적 굴절 피로 시험을 실시하였다.
• 피로 시험 중 전체 영역의 변위 및 변형률 변화를 맵핑하기 위해 디지털 영상 관련 기술(DIC)을 적용하였다.
• 결정 고분체 모델 입력을 위해 결정립 방향과 미세구조를 특성화하기 위해 전자 반사 회절(EBSD)을 사용하였다.
• 온도 범위를 다양하게 설정한 열기계적 인장 시험을 실시하여 온도에 따라 변화하는 항복 및 피로 경화 거동을 추출하였다.
• 실험적으로 校정된 단일 결정 비율 민감성 물성치를 사용하여 결정 고분체 유한요소 모델을 구현하였다.
• 미세구조적 피로 및 거시적 인장 데이터를 통합하여 다중 척도 변형률 속도 민감도를 검증하고 보완하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지르칼로이-4에서 노치 끝부리와 같은 응력 집중부에서 미세구조적 피로 변형률은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 교차 슬립 활성화가 결정 수준에서 국소 피로 변형률을 증가시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 결정립 수준의 변형률 속도 민감도는 결정학적 정렬과 비틀림 결함 슬립 활동에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 피라미드형 <c+a> 슬립계와 비틀림 결함의 쌓임이 온도 민감성 항복 및 피로 경화에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 실험적으로 유도된 단일 결정 물성치를 사용하여 校정된 결정 고분체 모델이 다중 척도 변형률 속도 민감도를 정확하게 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 노치 끝부리 근처의 미세구조적 피로 변형률은 교차 슬립 활성화로 인해 최대 50% 증가하였으며, 이는 고응력 영역에서 국소적 변형률 증가가 발생함을 시사한다.
• 결정립 수준의 변형률 속도 민감도(SRS)는 고도로 이질적이며, 플라스틱 변형률 속도와 주요 비틀림 결함 슬립계에 강하게 의존한다.
• 피라미드형 <c+a> 슬립과 총 비틀림 결함의 쌓임은 항복 및 강도 경화에 영향을 주는 온도 민감성 문턱 효과의 핵심 기여 요소로 규명되었다.
• 다중 척도 변형률 속도 민감도를 정확히 기록하기 위해 다결정 미세구조의 충실한 재구성과 정확한 단일 결정 비율 민감성 물성치가 필수적임을 확인하였다.
• 미세구조적 및 거시적 데이터를 기반으로 校정된 결정 고분체 모델은 실험적 피로 및 인장 거동을 성공적으로 재현하였다.
• 강도의 온도 민감도는 결정학적 문턱과 비틀림 결함 동역학에 의해 강하게 영향을 받으며, 특히 고슬립 활동을 보이는 결정립에서 두드러진다.