[论文解读] Strain-Rate-Dependent Deformation Behavior of Ti29Zr24Nb23Hf24 High Entropy Alloys at Elevated and Room Temperature

Tangqing Cao, Wenqi Guo+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2020

High Entropy Alloys Studies参考文献 37被引用 4

一句话总结

本研究调查了难熔高熵合金 Ti29Zr24Nb23Hf24 在高温和室温下的应变速率依赖性变形机制。在高温和低应变速率下，位错团簇相互作用主导了动态软化；而在高应变速率或较低温度下，扭折带形成和动态再结晶导致应变硬化，透射电镜（TEM）分析揭示了位错墙和亚晶粒的演化。

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.

研究动机与目标

• 理解难熔高熵合金（Ti29Zr24Nb23Hf24）在高温和室温下的应变速率依赖性变形行为。
• 识别在不同应变速率和温度下占主导地位的变形机制。
• 将显微组织演化（如位错墙和扭折带形成）与宏观的力-应变响应相关联。
• 研究动态再结晶和亚晶界形成在应变硬化与软化过程中的作用。
• 考察极端应变速率（高达 10³ s⁻¹）对室温下变形机制的影响。

提出的方法

• 在 700–1100 °C 温度范围内进行高温压缩试验，应变速率范围为 10⁻³ 至 10 s⁻¹，以绘制应变速率依赖的力学响应图谱。
• 利用 Zener-Holloman 参数（lnZ）关联温度和应变速率对变形行为的影响。
• 采用透射电镜（TEM）分析位错结构，包括 {110} 平面上的位错墙和低应变下的位错环。
• 追踪显微组织演化，如亚晶界形成及其向高角度晶界转化的过程，以识别再结晶机制。
• 在室温下进行超高应变速率（10³ s⁻¹）试验，评估扭折带和位错墙的发展。
• 将观察到的显微组织与宏观的应力下降和应变硬化行为相关联，以区分软化与强化机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 应变速率如何影响 Ti29Zr24Nb23Hf24 高熵合金在高温下的变形行为？
• RQ2 在高温和低应变速率下，屈服后出现的应力骤降背后的显微组织机制是什么？
• RQ3 扭折带和位错墙如何在高应变速率或较低温度下促进应变硬化？
• RQ4 动态再结晶在变形过程中的作用是什么？其行为如何随应变速率和温度变化？
• RQ5 在室温下超高应变速率条件下，变形机制与高温条件下的机制有何不同？

主要发现

• 在高温（≥800 °C）和低应变速率（10⁻³ s⁻¹）下，观察到屈服后出现突然的应力下降，此时 Zener-Holloman 参数（lnZ）范围为 17.2–20.7，表明由于位错团簇相互作用导致的动态软化。
• 在较高应变速率（1 s⁻¹）或较低温度（lnZ > 25.0）下，扭折带形成成为主导机制，导致持续的应变硬化，从而抵消了软化机制。
• 在 800 °C 和 1 s⁻¹ 应变速率下，位错墙沿 {110} 平面形成，且在 6% 的低应变下观察到位错环，表明位错活动处于早期阶段。
• 进一步应变下观察到扭折带诱发的动态再结晶，亚晶界演化为高角度晶界。
• 在低应变速率（10⁻³ s⁻¹）和 800 °C 条件下，非连续再结晶占主导，位错阵列在鼓泡晶界前方形成，并演化为高角度边界。
• 在室温下超高应变速率（10³ s⁻¹）条件下，形成了广泛的扭折带和位错墙阵列，多个滑移系被激活，位错墙相互作用在应变硬化中起关键作用。