[論文レビュー] 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 Fandeur+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2013

Advanced materials and composites被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、二重走査電子顕微鏡/電子線回折（FIB-SEM/EBSD）トモグラフィーを用いて再構築した実際の3次元微細組織マップを基に、Mo-TiC30vol.%金属セラミックス複合材料の3次元多結晶体モデルを開発した。モリブデンの結晶塑性と、破壊的TiC粒子に対する累積損傷則を組み合わせることで、25–700°Cの範囲で局所応力場およびマクロな応力-ひずみ挙動を正確に予測可能となり、25°Cではシミュレーションと実験の一致が極めて良好であり、全温度範囲で段階IIIの挙動についても強い一致を示した。

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.

研究の動機と目的

• 変形および温度変化下におけるMo-TiC30vol.%金属セラミックス複合材料の微視的力学挙動および損傷進化を理解すること。
• 理想化されたまたはランダムな結晶粒集合体に基づく従来のモデルの限界を克服するため、現実的な3次元微細組織を用いること。
• TiCのネットワーク的連続性とMoマトリックスにおける温度依存塑性の影響を捉えた二相多結晶体モデルの開発および検証すること。
• 有効弾性係数の低下に基づく物理的根拠を持つ破壊的TiC粒子の損傷進化則を設定すること。
• 実験的微細組織データから得た代表的3次元集合体を用いて、局所的および全体的な機械的応答を正確に予測可能とする仕組みを構築すること。

提案手法

• 50 nmの空間分解能を有する二重走査電子顕微鏡/電子線回折（FIB-SEM）連続断層法を用いて、Mo-TiC複合材料の3次元微細組織を再構築した。
• 高エネルギーX線トモグラフィーにより、TiC相の3次元的連続性（percolation）を確認し、FIB-SEM再構築の妥当性を検証した。
• 純モリブデンの実験データを逆解析によりキャリブレーションした結晶塑性に基づく多結晶体モデルをMoマトリックスに適用した。
• TiC粒子内の損傷は、局所応力が臨界閾値を超えた際に有効弾性剛性の累積的低下としてモデル化した。
• 境界条件を実験的荷重条件に一致させるように、再構築された3次元集合体に対して有限要素解析を実施した。
• 25–700°Cの全温度範囲で、シミュレートされたマクロな応力-ひずみ曲線と実験データの比較を通じて、モデルの妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TiC粒子の3次元的連続ネットワークが、高温下におけるMo-TiC複合材料の局所的および全体的機械的挙動にどのように影響を与えるか？
• RQ2 Moにおける温度依存塑性とTiCにおける損傷進化を組み込んだ多結晶体モデルが、25–700°Cの全範囲で複合材料の応力-ひずみ挙動を正確に予測できるか？
• RQ3 FIB-SEM/EBSDから再構築した3次元集合体という微細組織の現実性は、理想化されたまたはランダムな結晶粒モデルと比較して、複合材料挙動予測にどの程度の差をもたらすか？
• RQ4 破壊的TiC粒子内の損傷進化が、延性的Moマトリックスの応力再分配および加工硬化挙動にどのように寄与するか？
• RQ5 TiC粒子の有効弾性係数の低下は、特に段階IIIにおいて観察されたマクロな応力-ひずみ曲線とどの程度相関しているか？

主な発見

• FIB-SEM/EBSDトモグラフィーにより再構築された3次元集合体は、非常に高い連続性を持つTiC骨格を示し、これが荷重伝達および損傷進化に重要な役割を果たすことが判明した。
• 25°Cでは、シミュレートされた応力-ひずみ曲線が実験と極めて良好に一致しており、ひずみε22 = -0.09におけるマクロ応力差が10 MPa未満であった。
• 全温度範囲で、段階IIIにおける加工硬化率の平坦化を正確に再現した。これは、TiC内での広範な微小き裂発生と負荷能力の低下に起因する。
• Moマトリックス内の内部応力分布は、特に低温域でTiC界面近傍に最大500 MPaの局所的引張応力が発生しており、マトリックス損傷の発生源としての可能性を示唆した。
• 高温域ではTiCの損傷進化が遅く、応力-ひずみ曲線の平坦化が長く続くことが実験観察と一致した。
• 累積損傷に起因するTiCの有効弾性係数の低下をモデル化した結果、大ひずみ域におけるシミュレート曲線の弱い負の加工硬化勾配をうまく説明できた。