Boundary engineering of bulk nano-crystalline/nano-twin materials by high strain rate dynamic plastic deformation (BENTMAT)

Styrken til poly-krystallinske materialer øker generelt med minskende kornstørrelse, i tråd med Hall-Petch relasjonen (invers sammenheng). Å lage materialer med små korn, og spesielt nano-krystallinske materialer (kornstørrelse < 100 nm) er derfor en viktig strategi for sterkere materialer. I BENTMAT utforskes nettopp materialer og metoder, inkl. potensialet for en ny og innovativ prosess, basert på dynamisk plastisk deformasjon (DPD) (høyhastighetsdeformasjon), med siktemål å lage nano-krystallinske/nano-tvilling materialer med en unik kombinasjon av styrke og duktilitet. DPD realiseres ved bruk av et falltårn, tilgjengelig ved SIMLab (Structural Impact Laboratory), NTNU/SINTEF. Spesielt har tvillingdannelse i en høy-ren titan-legering deformert ved romtemperatur DPD blitt undersøkt. En inngående studie av krystallografien til disse tvillinggrensene har vist at disse er dannet ved en ny mekanisme som ikke tidligere er beskrevet i litteraturen (omforming av spesielle grenseflater i deformasjonsstrukturen via spesielle dislokasjonsreaksjoner). Dette er en ny mekanisme, forskjellig fra konvensjonell tvillingdannelse i metaller, som alltid involverer en rask nukleasjon- og vekst-prosess. I motsetning til Ti, observeres deformasjonstvillinger sjelden i Al-legeringer, siden Al har en høy stablefeils energi - en type gitterdefekter som sterkt påvirker materialers deformasjonsoppførsel. Like fullt har en i dette prosjektet funnet en betydelig mengde deformasjonstvillinger i en grov-kornet Al-7Mg-legering deformert ved DPD. Mekanismene for hvordan disse tvillingene er dannet er grundig undersøkt i transmisjon- og scanning elektronmikroskop, og hvilke rolle og effekter Mg har er videre studert ved «first-principles» beregninger. Beregninger har vist at små mengder av Mg gjerne segregerer til stable-feilsområdene, reduserer stable-feil energien og i noen grad øker sannsynligheten for tvillingdannelse, men like fullt iboende vanskelig å danne tvillinger i disse materialene. Imidlertid har beregningene vist Mg i kombinasjon med vakanser (introdusert ved store deformasjoner) har en gunstig effekt på hvordan disse materialene arbeidsherder, hvilket er viktig bl.a. for materialenes formbarhet. Korngrenser representerer overskuddsenergi som materialet vil kvitte seg gjennom fenomenet kornvekst hvor store korn vokser på bekostning av små. Korngrensesegregering - opphoping av legeringselementer nær korngrenser - er en effektiv måte å eliminere/redusere drivkraften for kornvekst og med det stabilisere strukturen i ultra-finkornede materialer. Atomistiske simuleringer har vist at Mg og Cu begge segregerer lett til spesielle ordnede korngrenser i Al. Både Mg og Cu reduserer korngrenseenergien, hvor Cu er den mest effektive i så henseende. Beregninger av brudd-oppførsel for slike grenseflater har samtidig vist at Mg svekker korngrensene, mens Cu har motsatt effekt; en sterkere og en mer duktil korngrense. Legeringselementer og urenheter er også ytterst viktige for de elektriske egenskapene i miltikrystallinsk (mc) Si halvleder-materialer brukt i solceller. De fleste urenheter (e.g. Fe, Cu, Cr, Ni, C, O N, etc.) påvirker egenskapene negativt. P og As, derimot er viktige n-type dopeelementer, som tilsettes for å øke ledningsevnen. Generelt vil tilsatselementer segregere til korngrensene, hvilket igjen kan påvirke de elektriske egenskapene. First-principles beregninger viser at segregeringsmønsteret, både for C, As og P avhenger systematisk med graden av ordene i korngrenene; hvor høy orden gir minimal segregering. Dette er viktig informasjon, i den grad man kan påvirke type og mengde av spesielle ordnede grenser ved framstilling og termomekanisk bearbeiding av disse materiale (grain.boundary engineering). Høy-deformasjonseksperimenter med den mer konvensjonelle metoden Equal Channel Angular Pressing (ECAP) har også blitt utført på ulike Al-legeringer, inkl. Al-5Cu, Al-8Zn og Al-6Bi-8Zn. Det er vist at ECAP av Al-5Cu også kan gi en svært fordelaktig kombinasjon av styrke og duktilitet som ikke oppnås med andre metoder. Mekaniske egenskaper er testet ved strekk-testing. Spesifikke prosesseringsbetingelser (#ECAP press og utherdingstemperatur) som gir en god kombinasjon av styrke og duktilitet er etablert. I tillegg til kunnskap og ferdigheter ervervet med hensyn til de spesifikke metoder for framstilling, bearbeiding og karakterisering av de materialer som er studert i dette prosjektet, har en tilegnet seg viktig erfaring og kompetanse av betydelig generisk karakter, mht implementering og optimalisering av ulike SPD metoder, prøvepreparering for og avansert nano-/mikrostrukturkarakterisering i SEM/TEM for et spekter av materialtyper og legeringer. Ikke minst har en ervervet verdifull kunnskap og ferdigheter med bruk av first-principles beregninger og med det moderne beregningsbasert prosess- og materialutvikling.

In this project, an innovative metal processing approach, high strain rate (102~104 s-1) dynamic plastic deformation (DPD), will be explored, to produce bulk nano-crystalline/nano-twin materials with an unprecedented combination of strength and ductility. DPD is going to be realized in Droptower impact system (impact velocity 0.8-24m/s), Pneumatic accelerator (impact velocity~25m/s) and Pendulum accelerator (kicking machine) apparatus at SIMLab, NTNU. A big advantage of DPD over other severe plastic defo rmation (SPD) techniques is that, a much lower accumulated deformation strain (~3.0) is needed to generate nano structured metal materials. In the present project DPD will be applied to process face centered cubic (FCC) materials like Cu, Al and hexagon al close packed (HCP) Ti, Mg and their alloys. The main objective is to obtain a fundamental understanding of the deformation behavior and the formation mechanism of nano-sized grains and micro-scale and nano-scale twins in different materials subjected t o high strain rate DPD. The influence of strain, strain rate, deformation temperature, grain size, crystal structure and stacking fault energy (SFE) of different materials on the formation of nano twins will be studied by using advanced nano/microstructur e characterization and X-ray diffraction. First principles atomistic simulations on different types of deformation-twin boundaries will be carried out and the interfacial energy will be calculated. Processing-structure-property relationships of different nano-twinned (NT) and nano-crystalline (NC) materials prepared by the DPD method will be established by tensile testing and nano indentation. Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) and Split Hopkinson tension Bar (SHTB) testing will also be used to study the high strain rate deformation behaviors of the NC and NT materials. The role of nano-twin boundaries on the deformation behavior and mechanical properties of the materials will be addres