[논문 리뷰] Strain-Rate-Dependent Deformation Behavior of Ti29Zr24Nb23Hf24 High Entropy Alloys at Elevated and Room Temperature

Tangqing Cao, Wenqi Guo외 7명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 02.

High Entropy Alloys Studies참고 문헌 37인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 고온 및 실온에서의 변형률 속도에 따라 변화하는 내열 고엔트로피 합금 Ti29Zr24Nb23Hf24의 변형 메커니즘을 조사한다. 고온 및 저변형률 속도 조건에서는 이물질 집합 상호작용에 의한 동적 연성화가 지배적이며, 고변형률 속도 또는 저온 조건에서는 키넥트 밴드 형성과 동적 재결정화가 변형 강도를 증가시킨다. 전자현미경 분석을 통해 이물질 벽과 미세구조의 진화가 확인되었다.

ABSTRACT

We investigate the strain-rate-dependent mechanical behavior and deformation mechanisms of a refractory high entropy alloy, Ti29Zr24Nb23Hf24 (at.%), with a single-phase body-centered cubic (BCC) structure. High-temperature compression tests were conducted at temperatures from 700 to 1100°C at strain rates ranging from 10-3 to 10 s-1. A sudden stress drop after yield point was observed at higher temperatures and lower strain rates with the Zener-Holloman parameter, lnZ, in the range of 17.2-20.7. Such a softening behavior can be related to the interaction of dislocations with short-range clustering. However, at higher strain rates or lower temperatures (lnZ>25.0), kink bands were activated being responsible for the continuous strengthening of the alloy in competition with the softening mechanism. Systematic TEM investigations reveal that dislocation walls formed along {110} planes and dislocation loops were observed at a low strain of 6% at a high strain rate of 1 s-1 and 800°C. Kink band induced dynamic recrystallization is evident upon further straining. On the other hand, at low strain rate of 10-3 s-1 and 800°C, discontinuous recrystallization mechanisms become dominant with arrays of dislocations forming in front of the bulged boundaries of parent grains. These sub-grain boundaries eventually turn into high-angle grain boundaries. We also investigate the deformation mechanism of the alloy under extremely high strain rate (103 s-1) at room temperature. The specimen exhibits extensive kink bands with arrays of dislocation walls. As further strained, multiple slip systems can be activated and the interaction of dislocation walls plays a vital role in the strain hardening of the alloy.

연구 동기 및 목표

• 고온 및 실온에서 내열 고엔트로피 합금(Ti29Zr24Nb23Hf24)의 변형률 속도에 따른 변형 거동를 이해하는 것.
• 다양한 변형률 속도와 온도 조건에서 지배적인 변형 메커니즘을 규명하는 것.
• 이물질 벽 및 키넥트 밴드 형성과 같은 미세구조의 진화를 매크로스코픽 응력-변형률 거동과 연관짓는 것.
• 동적 재결정화 및 미세구조 경계 형성의 역할이 변형 강도 증가 및 연성화에 어떻게 기여하는지 조사하는 것.
• 초고변형률 속도(최대 10³ s⁻¹)가 실온에서의 변형 메커니즘에 미치는 영향을 분석하는 것.

제안 방법

• 변형률 속도 범위가 10⁻³에서 10 s⁻¹인 700–1100 °C에서 고온 압축 시험을 실시하여 변형률 속도에 따른 기계적 거동을 분석하였다.
• 온도와 변형률 속도의 영향을 기계적 거동과 연관지기 위해 Zener-Holloman 파라미터(lnZ)를 활용하였다.
• 이물질 구조, 특히 {110} 평면에 존재하는 이물질 벽과 저변형률에서 관찰된 이물질 고리의 분석을 위해 투과전자현미경(TEM)을 수행하였다.
• 미세구조의 진화, 예를 들어 미세구조 경계 형성과 고각 결정립 경계로의 전환을 추적하여 재결정화 메커니즘을 규명하였다.
• 초고변형률 속도(10³ s⁻¹)로 실온에서의 시험을 실시하여 키넥트 밴드 및 이물질 벽 형성의 정도를 평가하였다.
• 관찰된 미세구조와 매크로스코픽 응력 급감 및 변형 강도 증가 거동을 연관지어 연성화 및 강도 증가 메커니즘을 구분하는 데 기여하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고온에서 변형률 속도는 Ti29Zr24Nb23Hf24 고엔트로피 합금의 변형 거동에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 고온 및 저변형률 속도 조건에서 유전 후 급격한 응력 급감이 관찰되는 이유는 무엇인가? 이는 어떤 미세구조적 메커니즘에 기인하는가?
• RQ3 고변형률 속도 또는 저온 조건에서 키넥트 밴드와 이물질 벽은 변형 강도 증가에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 동적 재결정화의 역할은 변형 과정에서 어떻게 작용하며, 이는 변형률 속도와 온도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 초고변형률 속도 조건에서 실온에서의 변형 메커니즘은 고온 영역과 어떻게 다를까?

주요 결과

• 고온(≥800 °C) 및 저변형률 속도(10⁻³ s⁻¹) 조건에서 유전 후 급격한 응력 급감이 관찰되었으며, Zener-Holloman 파라미터(lnZ) 범위는 17.2–20.7이었다. 이는 이물질 집합 상호작용에 의한 동적 연성화를 시사한다.
• 고변형률 속도(1 s⁻¹) 또는 저온 조건(lnZ > 25.0)에서는 키넥트 밴드 형성이 지배적이며, 이는 연성화 메커니즘을 상쇄하는 지속적인 변형 강도 증가를 초래한다.
• 800 °C 및 1 s⁻¹ 변형률 속도 조건에서 {110} 평면에 따라 이물질 벽이 형성되었고, 6%의 저변형률에서 이물질 고리가 관찰되어 이물질 활동의 초기 단계임을 확인하였다.
• 더 깊은 변형에 따라 키넥트 밴드 유도 동적 재결정화가 관찰되었으며, 이는 미세구조 경계가 고각 결정립 경계로 전환됨을 보여주었다.
• 저변형률 속도(10⁻³ s⁻¹) 및 800 °C 조건에서는 비연속적 재결정화가 지배적이었으며, 부풀어 오른 결정립 경계 앞에 이물질 배열이 형성되어 고각 경계로 진화하였다.
• 실온에서 초고변형률 속도(10³ s⁻¹) 조건에서는 광범위한 키넥트 밴드와 이물질 벽 배열이 형성되었으며, 다수의 슬립 시스템이 활성화되었고, 이물질 벽 상호작용이 변형 강도 증가의 핵심 역할을 하였다.