[논문 리뷰] Polycrystal model of the mechanical behavior of a Mo-TiC30vol.% metal-ceramic composite using a 3D microstructure map obtained by a dual beam FIB-SEM

Denis Cédat, Olivier Fandeur외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 01. 08.

Advanced materials and composites인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 이중 빔 FIB-SEM/EBSD 단층촬영을 통해 복원한 실제 3차원 미세구조도를 기반으로 Mo-TiC30vol.% 금속-세라믹 복합재의 3차원 다결정 모델을 개발한다. 모델은 텅스텐 마그네슘의 결정계 플라스티시티와 연성 TiC 입자에 대한 누적 손상 법칙을 결합하여 25–700°C 범위에서 국소 응력장과 매크로스코픽 응력-변형률 거동을 정확하게 예측할 수 있으며, 25°C에서는 시뮬레이션과 실험 간에 뛰어난 일치를 보이고, 모든 온도에서 단계 III 거동에 대해 강한 일치를 보인다.

ABSTRACT

The mechanical behavior of a Mo-TiC30 vol.% ceramic-metal composite was investigated over a large temperature range (25^{\circ}C to 700^{\circ}C). High-energy X-ray tomography was used to reveal the percolation of the hard titanium carbide phase through the composite. Using a polycrystal approach for a two-phase material, finite element simulations were performed on a real 3D aggregate of the material. The 3D microstructure, used as starting configuration for the predictions, was obtained by serial-sectioning in a dual beam Focused Ion Beam (FIB)-Scanning Electron Microscope (SEM) coupled to an Electron Back Scattering Diffraction system (3D EBSD, EBSD tomography). The 3D aggregate consists of a molybdenum matrix and a percolating TiC skeleton. As most BCC metals, the molybdenum matrix phase is characterized by a change in the plasticity mechanisms with temperature. We used a polycrystal model for the BCC material, which was extended to two phases (TiC and Mo). The model parameters of the matrix were determined from experiments on pure molydenum. For all temperatures investigated, the TiC particles were considered as brittle. Gradual damage of the TiC particles was treated, based on an accumulative failure law that is approximated by an evolution of the apparent particle elastic stiffness. The model enabled us to determine the evolution of the local mechanical fields with deformation and temperature. We showed that a 3D aggregate representing the actual microstructure of the composite is required to understand the local and global mechanical properties of the studied composite.

연구 동기 및 목표

• 변형과 온도 변화에 따른 Mo-TiC30vol.% 금속-세라믹 복합재의 마이크로메커니컬 거동과 손상 진화를 이해하기 위해.
• 이dealized 또는 무작위 결정립 집합 기반의 이전 모델의 한계를 보완하기 위해 현실적인 3차원 미세구조를 사용하기 위해.
• Mo 기반상의 온도 의존성 플라스티시티와 TiC의 영향을 반영한 이중상 다결정 모델을 개발하고 검증하기 위해.
• 효용 탄성 계수 저하에 기반한 물리적 기반의 손상 진화 법칙을 연성 TiC 입자에 적용하기 위해.
• 실험적 미세구조 데이터에서 유도된 대표성 있는 3차원 집합을 이용해 국소 및 전반적 기계적 반응을 정확히 예측할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 50 nm 해상도의 이중 빔 FIB-SEM 연속 절단 및 EBSD 맵핑을 이용해 Mo-TiC 복합재의 3차원 미세구조를 복원하였다.
• 고에너지 X선 단층촬영을 통해 TiC 상의 3차원 투과성(퍼콜레이션)을 확인하였으며, 이는 FIB-SEM 복원의 정확성을 검증하는 데 사용되었다.
• 순수 텅스텐에서의 실험 데이터를 기반으로 역분석을 수행하여 캘리브레이션된 파rameters를 갖는 결정계 플라스티시티 기반 다결정 모델을 Mo 기반상에 적용하였다.
• TiC 입자 내 손상은 국소 응력이 임계 임계값을 초과할 경우 효과적 탄성 강도의 누적 감소로 모델링되었다.
• 경계 조건을 실험적 하중 조건과 일치시키기 위해 복원된 3차원 집합에 대해 유한요소 시뮬레이션을 수행하였다.
• 모델은 25–700°C 범위에서의 시뮬레이션 매크로스코픽 응력-변형률 곡선과 실험 데이터를 비교하여 검증되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TiC 입자들이 형성하는 3차원 투과성 네트워크는 고온에서 Mo-TiC 복합재의 국소 및 전반적 기계적 거동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 Mo의 온도 의존성 플라스티시티와 TiC의 손상 진화를 포함한 다결정 모델이 25–700°C 범위에서 복합재의 응력-변형률 거동을 정확히 예측할 수 있는가?
• RQ3 특히 FIB-SEM/EBSD에서 복원된 3차원 집합에 기반한 미세구조의 현실성은 이상화되거나 무작위 결정립 모델 대비 복합재 거동 예측에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 연성 TiC 입자 내 손상 진화는 연성 Mo 기반상의 응력 재분포 및 하드닝 거동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 큰 변형에서 관찰된 매크로스코픽 응력-변형률 곡선의 약한 음의 하드닝 기울기와 효과적 탄성 계수 저하 간의 상관관계는 어느 정도이며, 특히 단계 III에서 어떻게 관련되는가?

주요 결과

• FIB-SEM/EBSD 단층촬영을 통해 복원된 3차원 집합은 매우 연결되어 있는 투과성 TiC 스케일을 보였으며, 이는 하중 전달과 손상 진화에 핵심적인 역할을 한다.
• 25°C에서 시뮬레이션된 응력-변형률 곡선은 실험과 뛰어난 일치를 보였으며, ε22 = -0.09에서 매크로스코픽 응력의 차이가 10 MPa 미만이었다.
• 모든 온도에서 모델은 단계 III 동안 경화율의 평탄한 플랫폼을 정확히 반영하였으며, 이는 TiC 내 광범위한 미세균열과 하중 지속 능력 감소에 기인한다.
• Mo 기반상 내부 응력 분포는 특히 저온에서 TiC 인터페이스 근처에 최대 500 MPa까지 국소적으로 인장 응력이 발생함을 보여주었으며, 이는 기반상 손상 기원지로 가능성을 시사한다.
• 고온에서 TiC의 손상 진화 속도가 느려져 응력-변형률 곡선의 플랫폼 기간이 더 길어졌으며, 이는 실험 관측과 일치하였다.
• 누적된 손상에 의한 TiC의 효과적 탄성 계수 감쇠를 모델이 정확히 예측하여, 시뮬레이션 곡선에서 큰 변형에서 관찰된 약한 음의 하드닝 기울기를 성공적으로 설명하였다.