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Low temperature yield strength of BCC refractory alloys
2017. 06. 19
ESPark Research Group 김일환, 김상준
Low temperature toughness of HEA
• CrMnFeCoNi alloy showed superior mechanical property in cryogenic temperature.
• HEA is considered as an structural materials for extreme environment.
Gludovatz, Bernd, et al., Science 345.6201 (2014): 1153-1158.
Peierls-Nabarro stress
𝜏𝑝 =𝐺
1 − 𝜈 exp (−4𝜋𝑑
2𝑏(1 − 𝜈))
Peierls-Nabarro stress: 0K에서 전위가 이동하는데 필요한 stress
D. L. Davidson, Materials Science and Engineering: A, 2000 Temperature
Yield stress
Peierls-Nabarro stress +
Solid solution hardening
Effective stress
Athermal stress 0.5Tm
Solid solution weakening in BCC alloys
Arsenault, R. J., Acta Metallurgica 17.10 (1969): 1291-1297.
• Solid solution weakening 현상이 저온 영역에서 관찰됨. • 고온에서의 항복강도는 저온에서의 강도 변화와 밀접한 관련이 있음. • Effective stress의 감소 정도를 줄여 athermal stress 유지 목적.
Temperature
Yield stress
Alloy1
pure
Effective stress
Athermal stress
Alloy2
Experimental setup
- Low temperature - High temperature
• Pure W(6), W60Ta40(5.6) • WTaVTi(5), WTaVTiCr(5.2) • WTaVTiNb(5), MoTaVTiNb(5)
3d: 4d: 5d:
4.0 5.0 6.0 Brittle Ductile
Results
• 결정립 크기 Pure W: 약 1mm • W60Ta40: 약 500㎛ • Hall-petch relation에 적용 받
지 않는 범위.
Results
• 같은 미세구조. • 결정립 크기 약 200㎛. • 수지상의 분율차이. (정량 분석 x)
WTaVTi WTaVTiCr
Results
0 5 10 15 20 25 30 350
200400600800
1000120014001600180020002200
Engineering strain (%)
-196°C 25°C 200°C 400°C 600°C 800°C
Pure W
Engi
neer
ing
stre
ss (M
Pa)
-200 0 200 400 600 8000
200
400
600
800
1000
Yiel
d st
ress
(MPa
)
Temperature (°C)
Pure W
• 순 텅스텐의 경우 -196℃ 항복강도 약 900MPa (결정립 크기:1mm) (ref. 결정립 크기 40㎛: 1380MPa) • 900MPa → 50MPa의 급격한 항복강도 감소 • 200 ℃ 부근에서 abnormal 포인트 관찰
Results
0 5 10 15 20 25 30 350
200400600800
1000120014001600180020002200
Engineering strain (%)
-196°C 25°C 200°C 400°C 600°C 800°C
W60Ta40
Engi
neer
ing
stre
ss (M
Pa)
-200 0 200 400 600 800
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Yiel
d st
ress
(MPa
)
Temperature (°C)
W60Ta40 Pure W
• 높은 취성으로 인해 탄성변형 중 파단 발생. • 고용강화 효과가 effective stress와 athermal stress를 증가시킴.
Results
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 220
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
WTaVTiCr WTaVTi WTaV W60Ta40
Pure W
En
gine
erin
g st
ress
(MPa
)
Engineering strain (%)
σy, ductility ↑
Dimension: 2 x 2 x 4 mm3
Strain rate: 10-3 s-1
Room temperature
Results
0 5 10 15 20 25 300
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000 -196°C 25°C 200°C 400°C 600°C 800°C
Engi
neer
ing
stre
ss (M
Pa)
Engineering strain (%)
WTaVTi0 5 10 15 20 25 30 35
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000 -196°C 25°C 200°C 400°C 600°C 800°C
WTaVTiCr
Engi
neer
ing
stre
ss (M
Pa)
Engineering strain (%)
-200 0 200 400 600 800
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Yiel
d st
ress
(MPa
)
Temperature (°C)
W60Ta40 Pure W WTaVTi WTaVTiCr
• 저온에서 고온까지 다성분 합금의 항복강도 유지.
• Strain hardening rate ↑
• 고용강화 효과로 인한 높은 항복강도.
• Athermal stress가 고용강화로 인하여 effective stress 수준으로 상승함.
Results
0 10 20 30 40 50 600
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Engi
neer
ing
stre
ss (M
Pa)
Engineering strain (%)
WTaVTiNb -196°C MoTaVTiNb -196°C WTaVTiNb 25°C MoTaVTiNb 25°C WTaVTiNb 200°C MoTaVTiNb 200°C
• W과 Mo을 치환 고용시킨 합금에서 온도에 따라 비슷한 거동을 보임. • 이원계 합금에서 다성분계 합금으로 치환 시 저온에서 solid solution
weakening이 관찰됨. • 다성분계 합금에서 급격한 고온 연화는 발생하지 않음.
-200 0 200 400 600 800
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
Yiel
d st
ress
(MPa
)
Temperature (°C)
W60Ta40 Pure W WTaVTi WTaVTiCr WTaVTiNb
WTaVTiNb, MoTaVTiNb
Discussion
• 다성분계로 갈수록 athermal stress 영역이 높아져 고온 항복강도 안정. • 저온 solid solution weakening 현상 -> effective stress 영역에서 P-N
stress가 VEC에 따라 줄어듦 ∴ 다성분계 합금에서 고용강화로 인한 고온 연화 저항성이 향상
Temperature
Yield stress
Multicomponent
pure binary
5.6
5
5.2
6
-200 0 200 400 600 800
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
Yiel
d st
ress
(MPa
)
Temperature (°C)
W60Ta40 Pure W WTaVTi WTaVTiCr WTaVTiNb
Discussion
• 다성분계 합금의 저온에서의 항복강도는 원자크기 차이로 인한 고용강화 정도와 VEC에 관계.
• Nb이 첨가되면 연성 향상
0 10 20 30 40 500
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Engi
neer
ing
stre
ss (M
Pa)
Engineering strain (%)
WTaVTiCr WTaVTi WTaVTiNb
Elements W Ta V Ti Cr Mo Nb
Atomic size
(pm) 139 146 134 147 128 138 146
-196℃
Summary
• BCC Refractory HEA의 저온 기계적 특성을 분석함. • Pure W과 binary 합금에서 고온 항복강도가 급격히 감소함을 관찰. • 다성분계 합금에서는 저온 및 고온 항복강도가 유지되는 것을 관찰. • 다성분계 합금에서 effective stress의 감소폭이 적고 이는 고용강화 효과
임을 정성적으로 분석함. • 결국, athermal stress를 높게 유지하는 것이 가능함. • 다성분계 합금에서의 고용강화를 이용한 저온부터 고온까지의 합금설계
를 적용할 수 있음.
Future work • 고용강화의 정량적 분석 시행 • Effective stress와 athermal stress에 영향을 미치는 요인에 대한 분석 • Strain hardening rate 분석
Summary
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000
200
400
600
800
1000
1200 Pure W W60Ta40 W40Ta20V20Ti20 W20Ta20V20Ti20Cr20 VNbMoTaW NbMoTaW Inconel 718 Haynes 230
Yi
eld
stre
ss (M
Pa)
Temperature (°C)
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