[논문 리뷰] Grain Boundary Softening from Stress Assisted Helium Cavity Coalescence in Ultrafine-Grained Tungsten

W. S. Cunningham, Y. Zhang외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 27.

Fusion materials and technologiesMaterials Science인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 초미세구조 텅스텐에서 고온 및 저선량 조건에서 응력 유도 헬륨 캐비티 융합에 의해 결정계면 연성화가 발생함을 입증한다. 이는 결정계면에서 선택적으로 기포가 형성되어 局부적 플라스티시티가 유도되기 때문이다. 원자 스케일 시뮬레이션은 응력 농축이 원자 이동, 변형률 방출, 불안정한 투과성 형성 등의 협동적 변형 메커니즘을 유도하여 융합 속도를 가속화하고 경도를 감소시킴을 확인한다.

ABSTRACT

The formation of helium cavities in coarse-grained materials produces hardening proportional to the number density and size of the cavities and due to the interaction of dislocations with intragranular helium defects. In nanostructured metals containing a high density of interfacial sinks, preferential cavity formation on the grain boundaries instead produces softening and often attributed to enhanced interfacial plasticity. Employing two grades of ultrafine-grained tungsten, we explore this effect using targeted implantation studies to map cavity evolution as a function of the irradiation conditions and quantify its impact on the mechanical response through nanoindentation. Softening is reported at implantation temperatures above the threshold for preferential grain boundary cavity formation but at a sufficiently low fluence prior to the growth of intragranular cavities. Collective changes in the mean cavity size, density, and morphology beneath a residual impression on an implanted surface indicate that cavity coalescence accompanied the reduction in hardness. Complementary atomistic simulations demonstrate that, in tungsten grain structures exhibiting softening, grain boundary bubble coalescence is driven by stress concentrations that further act to localize strain in the grain boundaries through cooperative deformation processes involving local atomic shuffling and sliding, dislocation emission, and even the nucleation of unstable twinning events.

연구 동기 및 목표

• 초미세구조 텅스텐에서 헬륨 이온 주입 조건 하에서의 기계적 연성화 메커니즘을 조사하기 위해.
• 방사선 조건 하에서 결정계면이 헬륨 기포 핵형성 및 진화에 미치는 역할을 규명하기 위해.
• 관측된 경도 감소를 캐비티 융합 및 형태 변화와 같은 미세구조적 변화와 연결하기 위해.
• 시뮬레이션을 통해 결정계면에서 국소적 플라스티시티를 이끄는 원자 스케일 메커니즘을 밝혀내기 위해.
• 나노인덴테이션 및 주입 실험을 통해 연성화 시작 조건(온도, 선량)을 정량화하기 위해.

제안 방법

• 초미세구조 텅스텐 두 종류에 대해 표적 헬륨 이온 주입을 실시하여 선량 및 온도를 제어하였다.
• 방사선 조건에 따른 경도 변화를 측정하기 위해 나노인덴테이션을 수행하였다.
• 압흔 표면 아래의 캐비티 크기, 밀도 및 형태를 분석하기 위해 투과전자현미경(TEM)을 사용하였다.
• 결정계면에서 응력 유도 캐비티 융합 및 변형 메커니즘을 모델링하기 위해 원자 스케일 시뮬레이션을 적용하였다.
• 기계적 연성화와 관련된 평균 캐비티 크기, 밀도 및 형태의 집합적 변화를 추적하였다.
• 결정계면 플라스티시티에 미치는 응력 농축 효과를 분석하였으며, 이는 변형률 방출 및 투과성 핵형성 포함하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초미세구조 텅스텐에서 결정계면 연성화가 초미세구조 텅스텐에서 우세해지기 위한 온도 및 선량 조건은 무엇인가?
• RQ2 결정계면에서의 응력 농축이 헬륨 캐비티 융합 및 플라스티시티에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 캐비티 융합 과정에서 활성화되는 원자 스케일 변형 메커니즘(예: 변형률 방출, 투과성 형성)은 무엇인가?
• RQ4 왜 결정계면에서 헬륨 축적이 연성화를 유도하는가? 이는 거친 결정립 재료에서 관찰되는 경화 현상과는 대조된다.
• RQ5 압흔 표면 아래에서의 캐비티 형태 및 밀도 변화는 측정된 경도 감소와 어떻게 관련되는가?

주요 결과

• 결정계면에서 캐비티 형성이 우세해지는 임계 온도 이상에서 초미세구조 텅스텐에서 연성화가 관찰되었으며, 이는 결정립 내 캐비티 형성이 아직 발생하지 않은 저선량 조건에서였다.
• 경도 감소는 압흔 인덴테이션 부위 아래에서 평균 캐비티 크기, 밀도 및 형태 변화의 집합적 증가와 직접적으로 관련되어 있었다.
• 원자 스케일 시뮬레이션은 결정계면에서 응력 농축이 캐비티 융합을 유도하고 국소적 원자 이동, 변형률 방출 및 불안정한 투과성 핵형성 사건을 포함한 협동적 변형 메커니즘을 촉진함을 밝혀냈다.
• 결정계면 연성화의 원인은 계면 플라스티시티의 향상이며, 이는 일반적으로 결정립 내 결함 상호작용로 인해 관찰되는 경화 현상과 대비된다.
• 연성화의 시작 시점은 계면 응력 국지화의 발생과 일치하였으며, 이는 결함 경화에서 결함 연성화 메커니즘으로의 전이를 시사한다.
• 캐비티 융합이 관측된 기계적 연성화의 주요 원인임을 규명하였으며, 이는 고립된 기포 성장 또는 변형률 소거보다 더 우세한 메커니즘이다.