Development of ultrafine-grained high entropy alloys through chain reaction of grain boundary precipitation

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20H02464
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 安田 弘行 大阪大学, 工学研究科, 教授 (60294021)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 趙 研 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (00633661) ; 永瀬 丈嗣 兵庫県立大学, 工学研究科, 教授 (50362661)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 構造・機能材料 / 社会基盤構造材料 / ハイエントロピー合金 / 転位 / 格子欠陥

Outline of Annual Research Achievements

2021年度は、2種類以上の析出物が形成されるAlxCoCrFeMnNiハイエントロピー合金（HEA）について、化学組成、プロセス条件(熱処理温度・時間等)を最適化して、結晶粒の更なる微細化を達成するとともに、得られた超微細粒HEAの力学特性を評価することを目的とした。同HEAでは、冷間圧延後、800～1000℃の温度範囲で熱処理を施すと、B2構造のNiAl相とCr-richなシグマ相の両方が連鎖反応的に析出する。2021年度は、両析出物を区別した上で、それぞれの平均半径と体積率を定量評価し、母相の平均結晶粒径との関係を調査した。その結果、母相の平均粒径は修正Zener-Smithモデルに従っていることが明らかになった。このことは、2種類の析出物のピンニング効果が結晶粒微細化の主因であることを意味する。また、2種類の析出物が連鎖反応的に析出することで、析出物の体積率が非常に高く、このことが、より結晶粒径を微細化することに繋がっていることもわかった。とりわけ、800℃以下の低温で熱処理することで、結晶粒は微細化した。ただし、例えばxを増加させて、シグマ相の析出物の体積率をより高めても、大きな微細化効果は得られなかった。さらに、得られた超微細粒試料について、室温で引張試験を行ったところ、TRIP鋼に匹敵する引張強さ(1000MPa以上)は得られるものの、析出物の体積率が高すぎるため、延性は低下した。次に、同HEA合金の降伏応力は、母相の平均結晶粒径の平方根の逆数に比例し、ホール・ペッチ則に従うことが確認された。ただし、ホール・ペッチ係数は析出物の体積率に依存して変化したため、析出物が結晶粒界における変形の伝播を抑制している可能性が示唆された。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

結晶粒微細化効果を修正Zener-Smith則を使って定量的に議論できたととともに、降伏応力と平均結晶粒径の関係もホール・ペッチ則だけで説明できないことも見出すことに成功している。

Strategy for Future Research Activity

ホール・ペッチ則による解析に加え、変形後の組織の微細組織観察により、超微細粒材の変形挙動を解明するとともに、超微細粒組織が高温での超塑性に繋がることが確認されたため、超塑性に注目した研究も推進する。