[논문 리뷰] Plate-like precipitate effects on plasticity of Al-Cu alloys at micrometer to submicrometer scales

Peng Zhang, Jianjun Bian외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 23.

Microstructure and mechanical properties참고 문헌 85인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 마이크로미터에서 서브미크론 규모에서 판상의 θ′-Al₂Cu 침전상이 Al-Cu 합금의 연성에 미치는 영향을 마이크로피라미드 압축 시험을 통해 조사한다. 침전상은 더 큰 규모에서는 강도를 향상시키고 변형률 변동을 억제하지만, 더 작은 尺도에서는 평균장 핀닝의 붕괴로 인해 효과가 감소하며, 침전상이 전체 피라미드를 둘러싸는 경우 최적의 성능을 보이며, 이는 끈기 없는 변형과 공존 인터페이스 미세변형 및 침전상 전단에 의한 높은 변형硬化를 초래한다.

ABSTRACT

The continuous miniaturization of modern electromechanical systems calls for a comprehensive understanding of the mechanical properties of metallic materials specific to micrometer and sub-micrometer scales. At these scales, the nature of dislocation-mediated plasticity changes radically: sub-micrometer metallic samples exhibit high yield strengths, however accompanied by detrimental intermittent strain fluctuations compromising forming processes and endangering structural stability. In this paper, we studied the effects of plate-like $θ^\prime$-Al$_2$Cu precipitates on the strength, plastic fluctuations and deformation mechanisms of Al-Cu alloys from micro-pillar compression testing. The plate-like precipitates have diameters commensurate with the external size of the Al-Cu micro-pillars. Our results show that these plate-like precipitates can strengthen the materials and suppress plastic fluctuations efficiently at large sample sizes ($\geq 3 μm$). However, the breakdown of the mean-field pinning landscape at smaller scales weakens its taming effect on intermittency. Over an intermediate range of sample sizes allowing the precipitates to cross the entire pillar, an enhanced apparent strain hardening and a sharp decrease of jerkiness are observed, in association with the presence of {100}-slip traces along the coherent $θ^\prime$-Al$_2$Cu precipitate/$α$-Al matrix interface and precipitate shearing. These complex effects of plate-like precipitates on plasticity are analyzed, experimentally and theoretically, in view of the interferences between external and internal sizes, and the related modifications of the underlying plastic mechanisms.

연구 동기 및 목표

• 마이크로미터에서 서브미크론 규모에서 전통적인 연성 이론이 실패하는 영역에서 Al-Cu 합금의 기계적 거동을 이해하기 위해.
• 판상의 θ′-Al₂Cu 침전상이 소규모 시편에서 항복 강도, 연성 변동 및 변형 메커니즘에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 표본 치수에 비해 침전상의 크기와 공간 분포가 연성에 미치는 역할를 규명하기 위해.
• 외부 표본 치수와 내부 침전상 구조 간의 상호작용이 변형 안정성에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 실험적 관측된 변형硬化 및 끈기 없는 변형과 나노스케일의 디스locations-침전상 상호작용 간의 연관성을 규명하기 위해.

제안 방법

• 다양한 피라미드 직경(서브미크론에서 몇 미크론까지)을 가진 Al-Cu 합금 시편에서 마이크로피라미드 압축 시험을 수행하였다.
• 피라미드 축에 대한 상대적 크기, 형태, 정렬 상태를 고려하여 판상의 θ′-Al₂Cu 침전상을 특성화하였다.
• 로드-변위 곡선에서 변형화학 거동 및 변형률 변동(끈기 없는 변형)을 정량화하였다.
• 투과전자현미경(TEM)을 사용하여 공존 인터페이스 θ′/α-Al에서 {100}-스lip 흔적과 침전상 전단의 증거를 확인하였다.
• 이론적 분석에서는 침전상 크기가 표본 치수와 유사해지는 소규모에서 평균장 핀닝 모델의 붕괴를 고려하였다.
• 외부 표본 치수와 내부 침전상 치수 간의 간섭을 모델링하여 이상적인 강화 및 감소한 간헐성의 원인을 설명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 판상의 θ′-Al₂Cu 침전상은 마이크로미터에서 서브미크론 규모에서 Al-Cu 합금의 항복 강도와 연성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 표본 치수에 비해 침전상의 크기와 공간 분포는 변형률 변동과 변형 안정성 조절에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 침전상이 전체 마이크로피라미드를 둘러싸면 왜 변형률 속도의 간헐성(끈기 없는 변형)이 급격히 감소하는가?
• RQ4 공존 인터페이스와 침전상 전단은 중간 규모에서 증가된 변형화학 거동에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 평균장 핀닝 모델의 붕괴가 서브미크론 규모에서 연성 안정성의 손실을 설명하는 데 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 표본 치수 ≥3 µm에서는 판상의 θ′-Al₂Cu 침전상이 디스locations의 안정적 핀닝 덕분에 재료의 강도를 효과적으로 향상시키고 연성 변형률 변동을 억제한다.
• 침전상이 전체 피라미드를 둘러싸는 중간 규모 범위에서는 변형률 속도의 간헐성(끈기 없는 변형)이 급격히 감소하여 변형 안정성이 향상됨을 관측하였다.
• 증가된 명백한 변형화학 거동은 공존 인터페이스 θ′/α-Al에서 {100}-스립 흔적과 침전상 전단의 존재와 관련이 있다.
• 서브미크론 규모에서는 평균장 핀닝 구조의 붕괴로 인해 침전상이 연성 변동을 억제하는 데 효과가 감소하여 안정성이 감소한다.
• 외부 표본 치수와 내부 침전상 치수 간의 상호작용은 주요 연성 메커니즘과 전체 기계적 거동을 결정짓는 데 핵심적인 역할을 한다.
• 본 연구는 침전상 크기가 피라미드 직경과 일치할 경우 상호보완적 강화와 안정된 변형이 가능하여 최적의 기계적 성능을 달성함을 입증하였다.