Fracture and Impact toughness of Metastable High Entropy Alloys at Cryogenic Temperature

Abstract

6.1 FCC to BCC transformation-induced plasticity based on thermodynamic phase stability in novel V10Cr10Fe45CoxNi35-x medium-entropy alloys V10Cr10Fe45CoxNi(35-x) system was designed by utilizing thermodynamic calculations in consideration of phase stability between BCC and FCC. The increase of Co content and decrease of temperature activated FCC to BCC martensitic transformation. Transformation sequence at cryogenic temperature is FCC to BCC martensitic transformation via intermediate HCP martensite. The sigmoidal curve consisted of an easy deformation stage at low strain followed by a rapid strain hardening stage at higher strains. In the former stage, the strain hardening rate gradually decreased with the HCP martensite formation. Then, the strain softening disappeared as the amount of BCC martensite increases. The tensile strength increase as the transformation rate increases. Thus, FCC to BCC transformation can be an effective mechanism for improving cryogenic strength and ductility.

6.2 Analysis of cryogenic fracture toughness of TRIP-assisted VCrFeCoNi high-entropy alloy Tensile and fracture toughness tests were conducted on a metastable V10Cr10Fe45Co30Ni5 HEA, and the results were compared with those of the V10Cr10Fe45Co20Ni15, CoCrFeMnNi and CrCoNi alloys. As the test temperature decreases, the present alloy shows an increase by 60–70% in yield and tensile strength and elongation as well as high strain-hardening rate. The KJIc fracture toughness values were 230 and 237 MPa·m1/2 at 298 and 77K, respectively. The superior fracture toughness of the present alloy was attributed to the FCC to BCC TRIP at 77K. It shows comparable failure characteristics of TWIP MPEA making clear that BCC martensite can be exploited in MPEA research field for cryogenic application. We further employed the Ab-initio calculations to compare the SFEs and the differences of phase stability of the V10Cr10Fe45Co20Ni15 alloy as well as V10Cr10Fe45Co20Ni15, CrMnFeCoNi, CrCoNi and Fe50Mn30Co10Cr10 alloys. The V10Cr10Fe45Co30Ni5 alloy show the lowest G(BCC)-G(FCC) value despite its high SFE. Therefore, the driving force for FCC to BCC transformation is the largest among the aforementioned MPEAs, and this is the reason of the FCC to BCC transformation. KAM analysis confirms that the plastic deformation sufficiently occurs at BCC in spite of general brittle characteristics at cryogenic temperature. According to this study, thus, the activated BCC-TRIP with decreasing temperature acted as a key parameter contributing to the relief of detrimental cryogenic-temperature effects.

6.3 Effects of deformation–induced BCC martensitic transformation and twinning on impact toughness and dynamic tensile response in metastable VCrFeCoNi high–entropy alloy Quasi–static and dynamic tensile properties of a metastable V10Cr10Fe45Co30Ni5 HEA were investigated at room and cryogenic temperatures, and they were systematically correlated with the Charpy impact toughness. Under the quasi–static tensile loading, the TWIP mechanism occurred at 289 K, while the TRIP mechanism occurred at 77 K. Under the dynamic loading, more deformation twins were formed at 298 K, and the amount of martensite reduced at 77 K. These variations of twinning and martensitic transformation were elucidated by the raised flow stress and by the adiabatic heating effect, respectively. They were confirmed by combining with ab–initio calculations, leading to the strong dependency of the energetic stability of BCC and HCP phases relative to the FCC phase. Charpy impact toughness maintained almost constant, although the test temperature decreased from 298 to 77 K. Charpy impact deformation behavior was closer to the dynamic tensile behavior than quasi-static one. The dynamic grain–refinement effect due to complex network structure inside BCC martensite plays a key role in preventing the ductile-to-brittle transition phenomenon.

본 연구에서는 FCC 상에서 BCC 상으로 변태유기소성이 발생하는 고엔트로피 합금을 설계하고, 해당 합금의 극저온 파괴인성 및 샤피 충격인성 시 기계적 특성과 변형거동에 대해 고찰 및 규명하였다. 기존의 고엔트로피 합금은 변형 쌍정을 활용하여 극저온에서 우수한 인장 성질 및 파괴인성을 나타내며 차세대 극저온용 재료로 주목받았다. 하지만 변태유기소성이 발생하는 고엔트로피 합금에 대한 극저온 기계적 인장성질, 파괴인성 및 샤피 충격인성에 대한 연구는 전무한 상황이다. 따라서 열역학 계산을 활용하여 준안정 상 기지를 가지는 고엔트로피 합금을 설계하고 조성 및 온도가 재료의 기계적 물성 및 변형거동에 미치는 영향을 분석하였다. 또한, 극저온용 재료의 신뢰성 평가에서 가장 중요한 지표인 파괴인성 시험을 진행하였으며 관련된 터프닝 거동을 고찰하였다. 마지막으로 상온 및 극저온에서 샤피 충격 시험을 진행하고 동적 인장 특성과 연계하여 관련된 기계적 특성 및 변형거동을 고찰하였다. 해당 연구는 변태유기소성을 활용한 고엔트로피 합금이 극저온에서 우수한 기계적 특성을 나타낼 수 있음을 보여준다.

1. 열역학적 상 안정도를 고려한 FCC 상에서 BCC 상으로 변태유기소성이 발생하는 V10Cr10Fe45CoxNi35-x 중엔트로피 합금 개발 열역학 계산을 활용해 FCC 상과 BCC 상간의 상 안정도를 고려하여 변태유기소성이 발생할 수 있는 V10Cr10Fe45CoxNi35-x 시스템을 설계하였다. Co함량의 증가 및 시험온도 감소에 따라 FCC 상에서 BCC 상으로의 마르텐시틱 변태가 활성화 된다. FCC 상에서 BCC 상으로의 마르텐시틱 변태는 중간상인 HCP 상을 거쳐서 일어난다. 극저온 인장시 변형 초반 구간은 HCP상의 생성이 활발하며 변형 연화 현상이 나타나고 이후 BCC상의 생성이 활발해지면서 가공경화율이 높아지며 S자 커브를 나타낸다. 인장강도는 마르텐시틱 변태 속도가 증가함에 따라 향상된다. 따라서 고엔트로피 연구 분야에서 FCC 상에서 BCC 상으로의 변태유기소성은 극저온 기계적 물성 향상에 효과적인 수단이 될 수 있다.

2. 변태유기소성이 발생하는 VCrFeCoNi 고엔트로피 합금의 극저온 파괴인성 분석 준안정 상 기지를 가지는 V10Cr10Fe45Co30Ni5 고엔트로피 합금에 대하여 준정적 인장 및 파괴인성 시험을 진행하였으며 그 결과를 CoCrFeMnNi와 CrCoNi 합금과 비교하였다. 시험 온도가 감소함에 따라 가공경화능이 증가하며 항복 및 인장강도와 연신율이 60–70% 증가한다. KJIc 파괴인성 값은 298 및 77 K에서 각각 230 그리고 237 MPa·m1/2로 증가한다. 이러한 시험온도 감소에 따른 기계적 물성의 증가는 TWIP 거동을 활용한 고엔트로피 합금에서 먼저 보고 되었으며, 해당 합금의 경우 FCC 상에서 BCC 상으로의 변태유기소성의 발생으로 기인한다. 추가로 V10Cr10Fe45Co20Ni15, V10Cr10Fe45Co20Ni15, CrMnFeCoNi, CrCoNi 그리고 Fe50Mn30Co10Cr10 합금들에 대하여 Ab-initio 계산을 통해 SFE 및 상 안정도 차이를 계산하였다. V10Cr10Fe45Co30Ni5 합금은 상대적으로 높은 SFE를 나타내지만 가장 낮은 G(BCC)-G(FCC)를 지닌다. 따라서 위 합금들 중 가장 높은 FCC 상에서 BCC 상으로의 변태 구동력을 지닌 것을 알 수 있으며 이것이 BCC 마르텐사이트 발생의 원인임을 알 수 있다. 극저온 파괴 인성 시험 후 파단면을 EBSD 분석을 진행하였으며 KAM 분석결과 BCC 상에서 다량의 소성변형이 발생 하였음을 알 수 있다. 이 연구는 FCC 상에서 BCC 상으로의 변태유기소성의 활용이 극저온 기계적 물성 향상에 활용될 수 있음을 보여준다.

3. VCrFeCoNi 고엔트로피 합금에서 변태유기소성 및 변형 쌍정이 충격 인성 및 동적 인장 거동에 미치는 영향 준안정 상 기지를 가지는 V10Cr10Fe45Co30Ni5 고엔트로피 합금에 대하여 준정적 및 동적 인장을 진행하였으며 샤피 충격 인성과 관련지어 해석하였다. 준정적 인장하에서 298 K에서는 TWIP변형거동이 발생하며 77 K에서는 변태유기소성이 발생한다. 동적 인장하에서 유동 응력의 증가와 단열승온으로 인해 TWIP의 발생량은 증가하며 변태유기소성의 발생량은 감소한다. Ab-initio 계산을 통한 FCC상에 대한 BCC 상과 HCP상의 상 안정도 차이 해석을 통해 FCC 상에서 HCP 상 및 BCC상으로의 변태유기소성 거동 변화를 해석할 수 있다. 시험온도 감소에 따른 샤피 충격 시험을 진행하였으며 놀랍게도 충격 인성 값은 유지되며 동적 인장에서의 변형거동과 유사함을 알 수 있다. 또한 BCC 마르텐사이트 내부의 복잡한 구조로 인한 동적 결정립 미세화 효과는 BCC재료에서 흔히 발견되는 연성 취성 변화를 억제하는데 기여할 수 있다.