Material behaviors under extreme conditions: large plastic strain, high strain rate and cryogenic temperature, and shock consolidation

Abstract

Doctor본 연구에서는 극한 환경 하에서 재료 변형 시 발생하는 기계적 그리고 미세조직적 변화를 다음 세 조건들에 집중하여 연구하였다: 소성 대 변형, 극저온 동적 변형, 그리고 충격파를 이용한 분말 치밀화이다. 언급된 극한 조건들에 대한 연구는 최근 주목 받고 있는 극한 환경 하 재료의 사용에 필수적인 척도를 제공할 뿐만 아니라 변형 후 획득되는 개선된 재료 물성을 통해 새로운 물성의 재료 영역을 확장 할 수 있어 연구자들의 집중적인 관심을 끌고 있다. 이런 이유와 장점에 따라 각 극한 조건들에 대해 세 분야에 대한 다음 세부 연구를 실시하였다. 1) 이상의 (two phase) 전위 밀도 기반의 구성 모델을 개발하여 고압 비틀림 공정을 가한 재료의 기계적 그리고 미세조직적 진화를 모델링, 2) 극저온 동적 변형 조건이 재료의 미세조직 진화와 기계적 특성에 미치는 영향 분석, 그리고 3) 충격파내의 나노/초미세립 입자들의 거동 해석이다. 첫 번째 주제에서는, 소성 대 변형이 강도와 연성의 증가를 불러오는 초미세립/나노결정립 벌크 재료를 얻을 수 있는 효과적인 방법인 것에 초점을 맞추었으며, 이런 공정을 효과적으로 해석하기 위해 이전엔 제안되지 않았던 육방밀집 구조재료에 대한 이상모델을 새롭게 개발하여 이를 유한요소해석에 적용하여 공정을 분석하였다. 제안된 모델은 육방밀집 구조재료의 특이한 두 가지 변형 기구인, 불화합 응력과 쌍정을 포함하였으며, 제안된 모델을 검증하기 위해 소성 대 변형을 가한 상용 순수 타이타늄을 사용하여 실험을 실시하였다. 이를 통해 변형에 따른 소성 가공 거동과 변형률 속도 민감성의 변화를 성공적으로 나타낼 수 있었다. 또한, 제안된 모델이 좀 더 범용적으로 다른 육방밀집 구조재료에 적용될 수 있을 것이라는 것을 알 수 있었다. 두 번째 주제에서는, 극저온과 동적 변형이 재료의 미세조직 및 기계적 거동에 뚜렷한 변화를 가져온다는 것에 초점을 맞추었으며, 이를 확인 하기 위해 변형 조건에 따른 해석을 다음과 같이 체계적으로 실시하였다. 다음 세 가지의 변형 조건에서 순수 구리에 대한 단일 축 그리고 다 축 변형을 6단계로 실시하였다: 정적 및 상온, 동적 및 상온, 그리고 동적 및 극저온. 총 36 단계의 결과를 분석하여, 변형률 속도, 온도, 그리고 변형 방향이 미세조직의 진화와 기계적 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 그 결과를 통해, 다음의 네 가지의 미세조직 진화 형태를 확인하였다: 전위 미끄러짐만을 변형 기구로 갖거나 전위 미끄러짐과 변형 쌍정 모두를 변형기구로 갖는 단일축 및 다축 변형을 통한 서로 다른 미세조직 진화 경향들이 얻어졌다. 비록, 극한 변형을 통해 개선된 기계적 강도를 보여주는 균일하고 전체적으로 쌍정화 된 미세조직이 얻어졌지만, 변형 후 시편의 낮은 연성과 미세조직적 불안정성, 부분 재결정화, 등의 문제가 역시 발견되었다. 세 번째 주제에서는, 극도로 짧은 시간 동안 높은 고압을 형성하는 충격파 내에서 초미세립/나노 분말 입자들의 거동에 초점을 맞췄으며, 먼저 단일 가스 총 시스템을 사용하여 상온 하에서 초미세립 구리 분말을 충격파 치밀화 하여 나노/초미세립 구조의 벌크 재료를 제작하였다. 분석을 통해 극도로 높은 전위 밀도와 결정립 크기의 감소를 충격 변형을 통해 획득하였으며, 이를 설명하기 위해 기공 치밀화에 따른 추가 전위 형성을 고려하는 미세조직 진화 모델을 제안하였다. 이렇게 형성된 높은 전위 밀도는 매우 불안정한 상태로 충격 후 변형 시 급격하게 감소하게 되어 추가 변형을 통해 결정립 크기가 감소함에도 불구하고 기계적 경도의 감소를 불러왔다. 또한, 분말의 충격파 내 거동을 좀 더 체계적으로 분석하기 위해 다양한 초기 밀도에서 충격파 치밀화를 실시하였다. 하지만, 변형 형상 및 전위 밀도, 그리고 기계적 특성들에서 뚜렷한 차이가 발견되지 않는 것을 알 수 있었다. 이는 초기 밀도에 따라 높은 극부 변형을 야기하는 관성 변형의 효과가 사용된 공정 조건에서 미미함에 따라 결과적으로 비슷한 변형량이 분말에 가해졌기 때문이었음을 벌크 규모와 분말 규모의 두 단계 규모 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 또한, 실험과 시뮬레이션을 통해 얻어진 결과를 결합하여, 충격 조건에 따른 최종 치밀화 특성을 예측할 수 있는 충격 치밀화 지도를 개발하였고, 그 확정성에 대해서 토의하였다.Recently, various extreme conditions for the deformation of materials were investigated not only to manufacture bulk nanocrystalline materials having interesting properties but also to analyze and understand the responses of materials under these conditions. Both reasons are very required to scientists or engineers these day due to demands for advanced materials having improved properties by designing microstructures, and the comprehensive understanding of the extreme phenomena that occur in the materials under some unusual applications, such as low temperature, aerospace, and defense materials. As a result of these needs, the following three extreme conditions were largely studied: large plastic strain, dynamic deformation at cryogenic, and shock consolidation. The aim of this thesis is to expand our knowledge about the behavior and microstructure of materials under three extreme conditions that are mentioned above. Accordingly, the thesis is divided into three parts that have the following sub-objectives: 1) modelling of the evolution of mechanical and microstructural properties on the materials processed by high-pressure torsion by developing two-phase dislocation-density based constitutive model, 2) studying the influences of dynamic deformation at cryogenic temperature on the microstructural evolution and mechanical properties, and 3) investigating the response of nano/ultrafine particles under shock wave. In the first category, the brief summary is as follows. Severe plastic deformation (SPD) is considered as an effective pathway to obtain ultrafine-grained/nanocrystalline bulk materials with high strength and ductility. We are developing a new tow-phase constitutive model, in which dislocation cell walls and cell interiors are regarded as separate ‘phases’. In considering the dislocation evolution, exchange of dislocations between the two ‘phases’ is included. The effect of deformation twinning on the microstructure evolution is also considered. To account for the limited availability of slip systems in hcp materials, an incompatibility stress, which evolves with strain, is introduced. The model has the capability of predicting the microstructural variation of the material, including the evolution of grain size, misorientation angle distribution and the twinned volume fraction, as well as the attendant mechanical properties, under SPD. The finite element method (FEM) simulations of the mechanical behavior of commercial purity Ti processed by SPD (specifically, by high-pressure torsion) were validated experimentally. It was demonstrated that the model can successfully reproduce the strain hardening behavior and the strain rate sensitivity of titanium. It is believed that the model has a more general applicability and can be used for numerical simulations of large-strain deformation of other hcp materials, as well. In the second part, the contents of research can be simply described as follows. Step-wise deformations were applied on pure copper along uniaxial direction and multiaxial directions at three conditions: static and room temperature, dynamic and room temperature, and dynamic and low temperature. Through examining total 36 stages the influences of strain rate, temperature, and deformation direction on microstructural evolution and mechanical properties have been investigated. According to the results, deformation mechanism was changed from only dislocation slips to dislocation slips and deformation twinning at extreme conditions—high strain rate and low temperature. Although changing deformation direction has no effect on the mechanical properties and total dislocation densities measured from X-ray diffraction results, the evolutions of misorientation boundaries and geometrically necessary dislocations were clearly influenced. The development trend of microstructure showing larger grain size and lower geometrically necessary dislocation densities by multi-axial deformations than the uniaxial case was reversed when twinning occurred. Based on the results, we suggest four schematic evolution models: uniaxial and multi axial cases with dislocation slip, or with dislocation slip and deformation twining. Even if homogenous and almost fully twinned microstructure giving improved mechanical strength was obtained by extreme deformations, poor ductility of the post-deformation specimen and instability in microstructure, e.g. partial recrystallization, were observed. In the third part, the particles under shock wave were investigated with the following flows. Shock consolidation of ultrafine copper powders at room temperature for bulk nano/ultrafine structured materials is achieved in a gas gun system. The stress states in the powders during the shock consolidation process are analyzed using the FEM associated with the dynamic densification model (P-α model). The recovered specimens were investigated for the crystallite sizes and dislocation densities using the Convolution Multiple Whole Profile method. The shock-consolidated specimens were highly densified over 98% of relative density with uniform spatial distributions of high hardness. Moreover, the extremely high dislocation density and the refinement of the crystallite size via the shock deformations were achieved. A microstructure model is proposed for the extremely high dislocation density, where dislocations are generated not only by shock waves but also by plastic flow during the void collapses. The strengths of the shock-consolidated specimen are slightly decreased during the post-shock deformations due to a decrease in the excess dislocations despite further refinement of the crystallite size. In order to investigate the effect of initial densities of the powers, nano/ultrafine scale copper powders with different initial densities, 35%, 70%, 80%, and 90% of relative densities, were also shock consolidated. While larger fluctuations in particle flows were observed at micro-scale in lower initial relative density (IRD), no distinct changes in deformation morphologies, dislocation densities, and mechanical properties were found except non-full compaction in the powders from 35% of IRD. From two-scale simulations, bulk-scale and particle-scale, it was concluded that the inertial deformation leading localized large plastic strain was weak and consequently similar strain was achieved in the compacts. In addition, the fluctuation at micron scale observation was found to be attributed to the soft agglomerates. By combining the results of the experiment and the simulations, the shock compaction map have been developed and the possibility of their expansion into higher shock velocities was discussed