Elucidation of the mechanism to control the excellent high temperature properties of nano-microstructured high entropy alloys

• Project Area: High Entropy Alloys - Science of New Class of Materials Based on Elemental Multiplicity and Heterogeneity
• Project/Area Number: 19H05180
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Japan Atomic Energy Agency
• Principal Investigator: Stefanus Harjo 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 J－PARCセンター, 研究主幹 (40391263)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2020: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2019: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
• Keywords: 中性子回折 / ハイエントロピー合金 / 高温 / その場測定 / 高温変形 / 結晶構造解析

Outline of Research at the Start

本研究では、ナノ・ミクロ組織ハイエントロピー合金の高温特性を制御する根本的なメカニズムを高温変形・加工中のその場中性子回折実験で明らかにしようとする。新学術領域A03班から提供された加工熱処理で創製した数種類のナノ・ミクロ組織のハイエントロピー合金を対象として、高温変形・加工中のその場中性子回折実験を行い、結晶学的ミクロ組織情報を試験片バルク状態で獲得し、機械特性との比較を行うなどして、研究を計画している。今回の研究計画を遂行するために必要な研究環境を十分に整えており、速やかに研究を実行することができる。本研究において優れた成果が得られた場合には、速やかに情報を公開する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、ナノ・ミクロ組織ハイエントロピー合金（HEA）の高温・応力負荷外場環境下においてその場中性子回折による結晶構造測定を行い、高温特性を制御する根本的なメカニズムを明らかにすることである。HEAは、1つの主要な元素に基づいている従来の合金と違って、複数の主成分状態図の中央付近の化学組成を持ち、高温での高いエントロピーと構成原子の遅い拡散の結果、高温で優れた機械的性能を示すと期待されていた。しかし、高温特性を制御する根本的なメカニズムは、合金組成上の複雑さ及び元素間の相互作用のために依然として未知であるため本研究を行った。
加工と熱処理で創製した異なる結晶粒サイズのHEAを対象として、加熱・高温保持中のその場中性子回折実験を行い、結晶学的ミクロ組織情報（結晶構造安定性・変化、元素分配、結晶粒間及び相間の応力、集合組織、転位及び結晶子サイズ等）を獲得し、試験片バルクの熱膨張の変化と比較して、高温での相安定性を調べた。２種類のHEA: CoCrFeNi合金とHfMoNbTaTi合金を研究に用いた。CoCrFeNi合金は、加熱中または高温保持中にFCC構造で非常に安定していたが、加熱中のバルク熱膨張との差が大きかった。回折データには本合金系で知られている結晶構造で同定されない単結晶のような第2相が存在し、熱膨張の違いで加熱中のFCCのメイン相の格子定数に影響を及ぼした。この第2相は、短範囲規則もしくは中距離規則性である可能性があり、CoCrFeNi合金の室温変形の強度にはほとんど寄与しなかった。一方、HfMoNbTaTi合金はBCC構造をしていたが、1373K以下での高温保持中に相分解が起こり、保持温度が低くなればなるほど分解速度が大きくなった。上記の研究と並行して、CoCrFeNiとCoCrNiの合金の低温での優れた機械特性の発現機構の解明も行った。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] 香港城市大学/北京科技大学/南京理工大学(中国)
• [Int'l Joint Research] 忠南大学校/浦項工科大学校(韓国)
• [Int'l Joint Research] 香港城市大学/國立交通大學/北京科技大学(中国)
• [Int'l Joint Research] 忠南大学校/浦項工科大学校(韓国)
• [Journal Article] Relation between Intergranular Stress of Austenite and Martensitic Transformation in TRIP Steels Revealed by Neutron Diffraction (2021)
  • Author(s): S. Harjo*, T. Kawasaki, N. Tsuchida, S. Morooka, W. Gong
  • Journal Title: ISIJ International Volume: 61 Issue: 2 Pages: 648-656
  • DOI: 10.2355/isijinternational.ISIJINT-2020-503
  • NAID: 130007987394
  • ISSN: 0915-1559, 1347-5460
  • Year and Date: 2021-02-15
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Stacking Fault Driven Phase Transformation in CrCoNi Medium Entropy Alloy (2021)
  • Author(s): He Haiyan、Naeem Muhammad、Zhang Fan、Zhao Yilu、Harjo Stefanus、Kawasaki Takuro、Wang Bing、Wu Xuelian、Lan Si、Wu Zhenduo、Yin Wen、Wu Yuan、Lu Zhaoping、Kai Ji-Jung、Liu Chain-Tsuan、Wang Xun-Li
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 21 Issue: 3 Pages: 1419-1426
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c04244
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] On the phase transformation and dynamic stress-strain partitioning of ferrous medium-entropy alloy using experimentation and finite element method (2020)
  • Author(s): Bae Jae Wung、Jung Jaimyun、Kim Jung Gi、Park Jeong Min、Harjo Stefanus、Kawasaki Takuro、Woo Wanchuck、Kim Hyoung Seop
  • Journal Title: Materialia Volume: 9 Pages: 100619-100619
  • DOI: 10.1016/j.mtla.2020.100619
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Microstructural Features and Ductile-Brittle Transition Behavior in Hot-Rolled Lean Duplex Stainless Steels (2020)
  • Author(s): O. Takahashi, Y. Shibui, P.G. Xu, S. Harjo, T. Suzuki, Y. Tomota
  • Journal Title: Quantum Beam Science Volume: 4 Issue: 1 Pages: 16-16
  • DOI: 10.3390/qubs4010016
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Comparison of dislocation density, twin fault probability, and stacking fault energy between CrCoNi and CrCoNiFe medium entropy alloys deformed at 293 and 140K (2020)
  • Author(s): Woo Wanchuck、Naeem Muhammad、Jeong Jae-Suk、Lee Cheol-Min、Harjo Stefanus、Kawasaki Takuro、He Haiyan、Wang Xun-Li
  • Journal Title: Materials Science and Engineering: A Volume: 781 Pages: 139224-139224
  • DOI: 10.1016/j.msea.2020.139224
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Neutron diffraction monitoring of ductile cast iron under cyclic tension-compression (2020)
  • Author(s): Harjo Stefanus、Kubota Satoru、Gong Wu、Kawasaki Takuro、Gao Si
  • Journal Title: Acta Materialia Volume: 196 Pages: 584-594
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2020.07.016
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Element Effects of Mn and Ge on the Tuning of Mechanical Properties of High-Entropy Alloys (2020)
  • Author(s): Lam Tu-Ngoc、Tsai Che-Wei、Chen Bo-Kai、Lai Bo-Hong、Liu Hung-Chih、Kawasaki Takuro、Harjo Stefanus、Lin Bi-Hsuan、Huang E-Wen
  • Journal Title: Metallurgical and Materials Transactions A Volume: 51 Issue: 10 Pages: 5023-5028
  • DOI: 10.1007/s11661-020-05932-9
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Extremely high dislocation density and deformation pathway of CrMnFeCoNi high entropy alloy at ultralow temperature (2020)
  • Author(s): Naeem Muhammad、He Haiyan、Harjo Stefanus、Kawasaki Takuro、Zhang Fan、Wang Bing、Lan Si、Wu Zhenduo、Wu Yuan、Lu Zhaoping、Liu Chain T.、Wang Xun-Li
  • Journal Title: Scripta Materialia Volume: 188 Pages: 21-25
  • DOI: 10.1016/j.scriptamat.2020.07.004
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Enhancement of fatigue resistance by overload-induced deformation twinning in a CoCrFeMnNi high-entropy alloy (2020)
  • Author(s): Lam Tu-Ngoc、Lee Soo Yeol、Tsou Nien-Ti、Chou Hung-Sheng、Lai Bo-Hong、Chang Yao-Jen、Feng Rui、Kawasaki Takuro、Harjo Stefanus、Liaw Peter K.、Yeh An-Chou、Li Ming-Jun、Cai Ren-Fong、Lo Sheng-Chuan、Huang E-Wen
  • Journal Title: Acta Materialia Volume: 201 Pages: 412-424
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2020.10.016
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Stacking Fault Energy Analyses of Additively Manufactured Stainless Steel 316L and CrCoNi Medium Entropy Alloy Using In Situ Neutron Diffraction (2020)
  • Author(s): Woo W.、Jeong J. S.、Kim D.-K.、Lee C. M.、Choi S.-H.、Suh J.-Y.、Lee S. Y.、Harjo S.、Kawasaki T.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Issue: 1 Pages: 1350-1350
  • DOI: 10.1038/s41598-020-58273-3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cooperative deformation in high-entropy alloys at ultralow temperatures (2020)
  • Author(s): Naeem Muhammad、He Haiyan、Zhang Fan、Huang Hailong、Harjo Stefanus、Kawasaki Takuro、Wang Bing、Lan Si、Wu Zhenduo、Wang Feng、Wu Yuan、Lu Zhaoping、Zhang Zhongwu、Liu Chain T.、Wang Xun-Li
  • Journal Title: Science Advances Volume: 6 Issue: 13
  • DOI: 10.1126/sciadv.aax4002
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Comparing Cyclic Tension-Compression Effects on CoCrFeMnNi High-Entropy Alloy and Ni-Based Superalloy (2019)
  • Author(s): Lam Tu-Ngoc、Chou You-Shiun、Chang Yao-Jen、Sui Tsung-Ruei、Yeh An-Chou、Harjo Stefanus、Lee Soo Yeol、Jain Jayant、Lai Bo-Hong、Huang E-Wen
  • Journal Title: Crystals Volume: 9 Issue: 8 Pages: 420-420
  • DOI: 10.3390/cryst9080420
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] In situ neutron diffraction study of phase stress evolution in a ferrous medium-entropy alloy under low-temperature tensile loading (2019)
  • Author(s): Bae Jae Wung、Kim Jung Gi、Park Jeong Min、Woo Wanchuck、Harjo Stefanus、Kim Hyoung Seop
  • Journal Title: Scripta Materialia Volume: 165 Pages: 60-63
  • DOI: 10.1016/j.scriptamat.2019.02.027
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Anisotropic Thermal Lattice Expansion and Crystallographic Structure of Strontium Aluminide within Al-10Sr Alloy as Measured by In-situ Neutron Diffraction (2021)
  • Author(s): Klaus-Dieter Liss, Stefanus Harjo, Takuro Kawasaki, Kazuya Aizawa, Pingguang Xu
  • Organizer: 2021 TMS Annual Meeting & Exhibition, オンライン開催
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Element Effects of CoCrFeNi-based High-entropy Alloys on Low-cycle Fatigue (2020)
  • Author(s): E-W. Huang, C-W. Tsai, A-C. Yeh, S.Y. Lee, S. Harjo, P. Liaw, T-N. Lam, Y-S. Chou
  • Organizer: TMS 149th Annual Meeting & Exhibition, San Diego, USA
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 中性子回折でみたハイエントロピー合金の低温での変形機構 (2020)
  • Author(s): M. Naeem，H. He，B. Wang，ハルヨ ステファヌス，川崎 卓郎，Z. Lu，X-L. Wang
  • Organizer: 日本金属学会2020年春期大会, 東京工業大学
• [Presentation] J-PARCの工学材料回折装置TAKUMIでの研究動向 (2020)
  • Author(s): ハルヨ ステファヌス, 川崎 卓郎, ゴン ウー, 山下 享介, 諸岡 聡, 原田 剛, 岩橋 孝明, 相澤 一也
  • Organizer: 日本中性子科学会 第20回年会, オンライン開催
• [Presentation] In-situ neutron diffraction study of deformation under thermomechanical extremes (2019)
  • Author(s): M. Naeem, H. Y. He, B. Wang, S. Lan, S. Harjo, T. Kawasaki, Y. Wu, Z. P. Lu, C. T. Liu, and X.-L. Wang
  • Organizer: The 3rd Asia-Oceania Conference on Neutron Scattering, Kenting, Taiwan
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Engineering Materials Diffractometer TAKUMI and Scientific Trends (2019)
  • Author(s): S. Harjo, T. Kawasaki, W. Gong, T. Yamashita, S. Morooka, H. Suzuki, K. Aizawa
  • Organizer: The 3rd Asia-Oceania Conference on Neutron Scattering, Kenting, Taiwan
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Neutron Diffraction Characterization of 3D printed CoCrNi high entropy alloy at 298K and 210K (2019)
  • Author(s): Y.B. Kim, H. Chae, W. Woo., D-K. Kim, E-W. Huang, T. Kawasaki, S. Harjo and S.Y. Lee
  • Organizer: The 3rd Asia-Oceania Conference on Neutron Scattering, Kenting, Taiwan
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 極低温で現れる先進的合金の特異な変形メカニズムを解明
  • URL: https://www.jaea.go.jp/02/press2019/p20032801/