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)