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매우 높은 적층 결함 에너지를 갖는 조성이 복잡한 강철의 높은 응력 쌍정

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매우 높은 적층 결함 에너지를 갖는 조성이 복잡한 강철의 높은 응력 쌍정

Nature Communications 13권, 기사 번호: 3598(2022) 이 기사 인용 7188 액세스 25 인용 3 Altmetric Metrics 세부 정보 변형 쌍정은 벌크 면 중심 입방체에서는 거의 발견되지 않습니다.

Nature Communications 13권, 기사 번호: 3598(2022) 이 기사 인용

7188 액세스

25 인용

3 알트메트릭

측정항목 세부정보

표준 하중 조건에서 매우 높은 적층 결함 에너지(SFE)를 갖는 벌크 면심 입방형(FCC) 합금에서는 변형 쌍정이 거의 발견되지 않습니다. 여기서는 벌크 준정적 인장 실험의 결과를 바탕으로 트위닝에 대한 SFE 체제보다 훨씬 높은 ~79mJ/m2의 매우 높은 SFE를 갖는 마이크로미터 입자 크기의 조성 복합 강(CCS)에서 변형 트위닝을 보고합니다(< ~50 mJ/m2) FCC 강철에 대해 보고되었습니다. 구성 자유도에 의해 가능해진 이중 나노침전은 CCS에서 최대 1.9GPa의 초고도 인장 응력에 기여합니다. 강화 효과는 유동 응력을 강화하여 기계적 쌍정이 시작되는 높은 임계값에 도달합니다. 나노쌍둥이의 형성은 기계적 성능을 향상시키는 추가적인 변형 경화 및 강인화 메커니즘을 가능하게 합니다. 높은 응력 쌍정 효과는 향상된 기계적 특성을 가진 높은 SFE 합금의 설계를 가능하게 하기 위해 지금까지 개발되지 않은 강화 및 강인화 메커니즘을 도입합니다.

결정질 금속 재료의 기계적 성능을 좌우하는 소성 변형 메커니즘에는 전위, 쌍정, 적층 결함 및 변위 상 변형이 포함됩니다. 전자의 결함, 즉 전위의 움직임은 격자 일관성을 유지하는 반면, 후자의 세 가지 메커니즘은 조밀하게 채워진 원자 평면의 적층 순서 변화로 나타나는 대칭 파괴를 생성합니다. 이 결정 결함을 적층 결함이라고 하며 이와 관련된 에너지 패널티를 적층 결함 에너지(SFE)2라고 합니다. 운동학적으로 쌍정, 적층 결함 및 변위 위상 변환은 부분 전위3에 의해 수행됩니다. 이는 완전한 격자 전위보다 작은 자체 에너지를 갖지만 활성화되면 부분 전위가 격자를 국부적으로 잘못된 구성으로 이동시켜 적층 결함을 생성합니다. 이러한 이유로 금속에 우수한 변형 경화 특성을 부여할 수 있는 쌍정, 적층 결함 및 변위 상 변형은 일반적으로 순수 Al(166mJ/m2) 및 Ni(125mJ/m2)과 같이 SFE가 상대적으로 높은 벌크 재료에는 없습니다. m2)2,4,5, 경쟁 전위 전표가 에너지적으로 덜 비용이 많이 드는4,6. 따라서 마이크로압입 하에서 나노결정질 Al 필름의 변형이나 큰 변형률에 노출된 벌크 Al과 같은 일부 극단적인 경우를 제외하고 높은 SFE 재료의 변형 거동은 전위에 의해 좌우됩니다. 결과적으로, SFE가 높은 벌크 합금은 오늘날까지 기계적 쌍정 및 적층 결함에 의해 제공되는 우수한 변형 경화 예비력을 발휘하지 못했습니다.

지난 수십 년 동안 수행된 이전 연구에 따르면 변형 쌍정은 높은 SFE를 갖는 인장 하중 Fe-Mn-Al-C 강(쌍정의 상한은 ~50 mJ/m2)에서도 발견되지 않았습니다. 낮은 질량 밀도, 우수한 기계적 특성 및 저렴한 비용으로 인해 매우 까다로운 엔지니어링 응용 분야13. Fe-Mn-Al-C 경량강의 변형은 초기에 평면형 전위 슬립에 의해 지배되며, 이는 변형이 진행됨에 따라 고밀도 전위로 구성된 슬립 밴드로 더욱 발전합니다. 사용 가능한 변형 경화 메커니즘이 전위 및 결정립 경계 및 석출물과의 상호 작용에 국한되어 있기 때문에 이러한 합금의 경우 더 높은 강도-연성 체제에 접근할 수 없습니다. 매력적인 기계적 특성을 가능하게 하는 매우 효과적인 변형 경화 및 강인화 메커니즘인 트위닝 유도 소성(TWIP) 효과는 높은 SFE로 인해 이러한 재료에 접근할 수 없는 상태로 남아 있습니다.

여기에서는 SFE가 ~79mJ/m2인 경량 조성 복합강(CCS)의 변형 쌍정 및 관련 높은 강화 효과를 보고합니다. 위에서 언급한 바와 같이 변형 쌍정화는 일반적으로 준정적 인장 하중 조건에서 SFE가 높은 벌크 재료에서 발생하는 것이 불가능할 것으로 예상됩니다. CCS는 기존 경량 Fe-Mn-Al-C 강의 재설계에 고엔트로피 합금(HEA) 개념을 적용하여 개발된 재료 종류입니다. 높은 엔트로피 개념에 의해 도입된 구성 자유도는 재료의 전체 구성을 \({{{{\rm{\kappa }}}}}}의 이중 나노침전의 독특한 혼합이 형성되는 영역으로 전환할 수 있게 해줍니다. \)-탄화물(정렬 면심 입방체, FCC) 및 B2(정렬 체심 입방체, BCC) 상이 가능해지며 기계적 쌍정을 활성화하는 데 필요한 높은 강도를 생성합니다.

zone axis in the inset of Fig. 1e, and the ordered structure of \({{{{{\rm{\kappa }}}}}}\)-carbide is revealed by superlattice reflections along the <110> zone axis from FFT (fast Fourier transform) patterns, as shown in the inset of Fig. 1f. The three-dimensional morphology and chemical compositions of the precipitates are revealed by APT analysis (Fig. 1g). The atomic maps for each element (Fig. 1g) and one-dimensional compositional profiles (Fig. 1h) show that Ni and Al are enriched in the B2 particle and C partitions into the adjacent \({{{{{\rm{\kappa }}}}}}\)-carbide, confirming the precipitation of B2 and \({{{{{\rm{\kappa }}}}}}\)-carbide in terms of their respective chemical compositions. Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) maps in Fig. 1i reveal the co-existence of both (Ni, Al)-rich B2 and C-rich \({{{{{\rm{\kappa }}}}}}\)-carbide precipitates with similar sizes, confirming the other type of topology observed in this dual-nanoprecipitation system./p>matrix//<011>twin system which is the common twin system in FCC alloys (Fig. 2d)./p> Shockley partial dislocations is essential for the formation of deformation twinning (Supplementary Fig. 7). For materials with very high SFEs, dislocation motion proceeds via perfect dislocations 1/2 <110>, since partial dislocations come at the costs of stacking faults and thus require high stresses to form. We estimate that the critical twinning stress in our steel is 1.5–1.7 GPa (see “Methods”). This stress value is much higher than the tensile flow stresses of previously studied lightweight steels with similar SFEs, yet with maximum tensile stress levels below 1.5 GPa (Fig. 2a). The ultrahigh true tensile stress of our steel (up to 1.9 GPa, see Fig. 2a) reaches the required high critical twinning stresses, thus leading to deformation twinning in this material, irrespective of its high SFE./p>