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論文

Si-addition contributes to overcoming the strength-ductility trade-off in high-entropy alloys

Wei, D.*; Gong, W.; 都留 智仁; Lobzenko, I.; Li, X.*; Harjo, S.; 川崎 卓郎; Do, H.-S.*; Bae, J. W.*; Wagner, C.*; et al.

International Journal of Plasticity, 159, p.103443_1 - 103443_18, 2022/12

 被引用回数:12 パーセンタイル:98.45(Engineering, Mechanical)

Face-centered cubic single-phase high-entropy alloys (HEAs) containing multi-principal transition metals have attracted significant attention, exhibiting an unprecedented combination of strength and ductility owing to their low stacking fault energy (SFE) and large misfit parameter that creates severe local lattice distortion. Increasing both strength and ductility further is challenging. In the present study, we demonstrate via meticulous experiments that the CoCrFeNi HEA with the addition of the substitutional metalloid Si can retain a single-phase FCC structure while its yield strength (up to 65%), ultimate strength (up to 34%), and ductility (up to 15%) are simultaneously increased, owing to a synthetical effect of the enhanced solid solution strengthening and a reduced SFE. The dislocation behaviors and plastic deformation mechanisms were tuned by the addition of Si, which improves the strain hardening and tensile ductility. The present study provides new strategies for enhancing HEA performance by targeted metalloid additions.

論文

Strengthening of high-entropy alloys via modulation of cryo-pre-straining-induced defects

Wei, D.*; Gong, W.; Wang, L.*; Tang, B.*; 川崎 卓郎; Harjo, S.; 加藤 秀実*

Journal of Materials Science & Technology, 129, p.251 - 260, 2022/12

 被引用回数:14 パーセンタイル:95.89(Materials Science, Multidisciplinary)

Owing to their attractive structure and mechanical properties, high-entropy alloys (HEAs) and medium-entropy alloys (MEAs) have attracted considerable research interest. The strength of HEAs/MEAs with a single face-centered cubic (FCC) phase, on the other hand, requires improvement. Therefore, in this study, we demonstrate a strategy for increasing the room-temperature strength of FCC-phase HEAs/MEAs by tuning cryo-pre-straining-induced crystal defects via the temperature-dependent stacking fault energy-regulated plasticity mechanism. Through neutron diffraction line profile analysis and electron microscope observation, the effect of the tuned defects on the tensile strength was clarified. This study discussed the possibility of developing single-phase high-performance HEAs by tuning pre-straining-induced crystal defects.

論文

Mechanical behaviors of equiatomic and near-equiatomic face-centered-cubic phase high-entropy alloys probed using ${it in situ}$ neutron diffraction

Wei, D.*; Gong, W.; 都留 智仁; 川崎 卓郎; Harjo, S.; Cai, B.*; Liaw, P. K.*; 加藤 秀実*

International Journal of Plasticity, 158, p.103417_1 - 103417_17, 2022/11

 被引用回数:13 パーセンタイル:97.88(Engineering, Mechanical)

In this study, we investigated the yielding and hardening behaviors of the Cantor alloy and FCC-phase Co-rich HEAs with different SFEs by in situ neutron diffraction combined with the first-principles method and electron-microscopy characterizations. The Co-rich HEAs exhibited a higher intrinsic yield strength than the Cantor alloy, mainly because of the larger shear modulus or modulus misfit, and grain refinement being more effective in improving the yield strength of low-SFE HEAs. Furthermore, higher flow stresses and better ductility of the Co-rich HEAs are attributed to the greater dislocation density and a larger number of stacking faults, which enhanced the strain-hardening rate during tensile deformation. The low SFE promoted mechanical twinning, and martensitic transformation contributed to higher strain-hardening rates.

論文

Regulation of strength and ductility of single-phase twinning-induced plasticity high-entropy alloys

Wei, D.*; Gong, W.; 川崎 卓郎; Harjo, S.; 加藤 秀実*

Scripta Materialia, 216, p.114738_1 - 114738_6, 2022/07

 被引用回数:15 パーセンタイル:97.77(Nanoscience & Nanotechnology)

Near-equiatomic single-phase twining-induced plasticity (TWIP) high-entropy alloys (HEAs) exhibit a good combination of strength and ductility, but their modest yield strength requires further improvement. Here, we propose a strategy for markedly enhancing their strength while retaining satisfactory ductility, taking advantage of the temperature dependence of the stacking fault energy. The room-temperature strength of a representative TWIP HEA was improved by the cryogenic pre-deformation-induced dislocations, martensite, nanotwins, and stacking faults. The tensile properties were further tuned by subsequent annealing to obtain partially recovered or recrystallized microstructures. The influence of regulated microstructures on the yield strength was clarified by neutron diffraction line profile analysis. This study presents possibilities for fabricating advanced HEAs by tuning the substructures.

論文

Metalloid substitution elevates simultaneously the strength and ductility of face-centered-cubic high-entropy alloys

Wei, D.*; Wang, L.*; Zhang, Y.*; Gong, W.; 都留 智仁; Lobzenko, I.; Jiang, J.*; Harjo, S.; 川崎 卓郎; Bae, J. W.*; et al.

Acta Materialia, 225, p.117571_1 - 117571_16, 2022/02

 被引用回数:46 パーセンタイル:99.77(Materials Science, Multidisciplinary)

Recently-developed high-entropy alloys (HEAs) containing multiple principal metallic elements have ex-tended the compositional space of solid solutions and the range of their mechanical properties. Here we show that the realm of possibilities can be further expanded through substituting the constituent metals with metalloids, which are desirable for tailoring strength/ductility because they have chemical interactions and atomic sizes distinctly different from the host metallic elements. Specifically, the metalloid substitution increases local lattice distortion and short-range chemical inhomogeneities to elevate strength, and in the meantime reduces the stacking fault energy to discourage dynamic recovery and encourage defect accumulation via partial-dislocation-mediated activities. These impart potent dislocation storage to improve the strain hardening capability, which is essential for sustaining large tensile elongation. As such, metalloid substitution into HEAs evades the normally expected strength-ductility trade-off, enabling an unusual synergy of high tensile strength and extraordinary ductility for these single-phase solid solutions.

論文

Work hardening behavior of hot-rolled metastable Fe$$_{50}$$Co$$_{25}$$Ni$$_{10}$$Al$$_{5}$$Ti$$_{5}$$Mo$$_{5}$$ medium-entropy alloy; In situ neutron diffraction analysis

Kwon, H.*; Harjo, S.; 川崎 卓郎; Gong, W.; Jeong, S. G.*; Kim, E. S.*; Sathiyamoorthi, P.*; 加藤 秀実*; Kim, H. S.*

Science and Technology of Advanced Materials, 23(1), p.579 - 586, 2022/00

 被引用回数:3 パーセンタイル:68.76(Materials Science, Multidisciplinary)

Metastability engineering is a strategy to enhance the strength and ductility of alloys via deliberately lowering phase stability and prompting deformation-induced martensitic transformation. In this work, the martensitic transformation and its effect on the mechanical response of a Fe$$_{50}$$Co$$_{25}$$Ni$$_{10}$$Al$$_{5}$$Ti$$_{5}$$Mo$$_{5}$$ medium-entropy alloy (MEA) were studied by in situ neutron diffraction under tensile loading. This work shows how great a role FCC to BCC martensitic transformation can play in enhancing the mechanical properties of ferrous MEAs.

論文

Development of multi-colored neutron talbot-lau interferometer with absorption grating fabricated by imprinting method of metallic glass

關 義親; 篠原 武尚; Parker, J. D.*; 矢代 航*; 百生 敦*; 加藤 宏祐*; 加藤 秀実*; Sadeghilaridjani, M.*; 大竹 淑恵*; 鬼柳 善明*

Journal of the Physical Society of Japan, 86(4), p.044001_1 - 044001_5, 2017/03

 被引用回数:13 パーセンタイル:66.58(Physics, Multidisciplinary)

パルス中性子源において効率的な位相イメージングを行うために、複数波長で機能する多色Talbot-Lau干渉計を設計・開発した。J-PARC物質・生命科学実験施設のエネルギー分解型中性子イメージング装置「螺鈿」において、中心波長0.25, 0.50, 0.75nmそれぞれに由来する異なるビジビリティーのモアレ縞を同一セットアップで確認することで、その動作原理の実証を行った。さらに、入射波長の波長分解能を18%から50%まで変化させながら、モアレ縞のビジビリティーの減衰を測定し、高波長分解能が実現できるパルスビームの利点を示した。さらに、中心波長0.5nmを用いて、アルミニウム、鉛、銅のロッドをテストサンプルとしたイメージングも行い、吸収像に加えて、境界がエンハンスされた微分位相像、ビジビリティー像も取得することに成功した。この干渉計では、アナライザー用吸収格子の製作方法として、初めて金属ガラスのインプリント法を採用した。中心波長でのモアレ縞のコントラストは68%と良好であり、従来のガドリニウムの斜め蒸着法を用いた格子と比較すると、形状の精密なコントロールが可能である。

論文

Evaluation of compressive deformation behavior of Zr$$_{55}$$Al$$_{10}$$Ni$$_{5}$$Cu$$_{30}$$ bulk metallic glass containing ZrC particles by synchrotron X-ray diffraction

鈴木 裕士; 才田 淳治*; 菖蒲 敬久; 勝山 仁哉; 加藤 秀実*; 今福 宗行*; 佐藤 成男*

Scripta Materialia, 66(10), p.801 - 804, 2012/05

 被引用回数:6 パーセンタイル:38.05(Nanoscience & Nanotechnology)

10vol.%ZrC粒子分散Zr$$_{55}$$Al$$_{10}$$Ni$$_{5}$$Cu$$_{30}$$四元系金属ガラスについて、圧縮変形させた試験片内部のZrC相及び金属ガラス相の残留ひずみを放射光X線により測定するとともに、有限要素解析によりZrC粒子周辺の局所的な塑性変形挙動を評価することによって、その圧縮変形メカニズムを評価した。その結果、変形初期においては、粒子周囲に局所的な塑性変形を生じるとともに、金属ガラス相が大きくひずみを負担するが、変形が進むと金属ガラス相が全体的に降伏して粒子が大きくひずみを負担、最終的には粒子が粒内破壊を生じて破断に至ることを明らかとした。

口頭

中性子回折法によるZrC結晶粒子分散Zr-Al-Ni-Cuバルク金属ガラスの変形挙動評価

鈴木 裕士; 今福 宗行*; 才田 淳治*; Setyawan, A. D.*; 加藤 秀実*

no journal, , 

中性子回折法により10vol%-Zr$$_{55}$$Al$$_{10}$$Ni$$_{5}$$Cu$$_{30}$$金属ガラスの変形挙動を測定した。まず、本材料の単軸引張負荷における弾性変形挙動をセルフコンシステントモデルで表すことができることを確認した。また、本材料における高い圧縮強度は、両相の熱膨張係数差により発生した残留応力と、金属ガラスの負担する相応力が、単軸負荷応力に比べて5%程度小さいことに起因していると考えられる。

口頭

中性子回折法によるZrC結晶粒子分散Zr-Al-Ni-Cuバルク金属ガラスの圧縮変形挙動評価

鈴木 裕士; 才田 淳治*; 勝山 仁哉; 今福 宗行*; Setyawan, A. D.*; 加藤 秀実*; 佐藤 成男*

no journal, , 

圧縮変形除荷後の10vol%ZrC粒子分散四元系金属ガラスのZrC相の残留応力を中性子回折法により測定するとともに、有限要素解析によりZrC粒子周囲に発生する塑性ひずみの評価を行った。その結果、巨視的に降伏する以前から、ZrC粒子周辺に局所的な塑性変形を生じ、そこを起点にせん断帯が発生する可能性を示した。また、変形が進むと、試験片全体に渡ってせん断帯が導入されるが、ZrC粒子によるボンド効果によって、破断せずに塑性変形が進み、ある負荷に達するとZrC粒子に粒内破壊を生じて破断に至るという新しい破壊モデルを提案した。

口頭

放射光X線によるZrC粒子分散Zr-Al-Ni-Cuバルク金属ガラスの圧縮変形挙動評価

鈴木 裕士; 才田 淳治*; 加藤 秀実*; 佐藤 成男*; 今福 宗行*; 菖蒲 敬久

no journal, , 

圧縮変形除荷後の10vol%ZrC粒子分散Zr$$_{55}$$Al$$_{10}$$Ni$$_{5}$$Cu$$_{30}$$四元系金属ガラスのZrC相及び金属ガラス相の残留応力を放射光X線により測定し、その結果から圧縮負荷中に両相が負担する応力状態と両相の変形状態を予測した。その結果、変形初期においては、ZrC粒子周囲に局所的な塑性変形を生じるとともに、金属ガラス相が大きくひずみを負担するが、変形が進むと金属ガラス相が全体的に降伏してZrC粒子が大きくひずみを負担、最終的にはZrC粒子が粒内破壊を生じて破断に至ることを明らかとした。

口頭

RADENにおけるパルス中性子位相イメージング開発

關 義親; 篠原 武尚; 上野 若菜; Seeghilaridjani, M.*; 加藤 秀実*; 佐本 哲雄*; 矢代 航*; 百生 敦*

no journal, , 

3枚の回折格子からなるTalbot-Lau干渉計を用いたイメージング法では、サンプルによって引き起こされる波動の微小な変化をモアレ縞から読み解く。特にモアレ縞の位相変化からは、サンプルを弱位相物体とみなしたときの微分位相情報が得られ、従来の吸収コントラスト像では識別が困難であった構造も明瞭に可視化することができる。われわれはJ-PARC物質・生命科学実験施設BL22に設置されたエネルギー分析型イメージング装置RADENにおいてTalbot-Lau干渉計を利用した中性子イメージング法の高度化を進めている。パルスビームで波長分解測定を行うと、サンプルでの色収差に起因する位相誤差を回避しつつ積分強度が利用できるので、連続ビームの場合と比較して位相決定精度の向上が図れる。さらに、位相シフトの波長依存性に着目した解析を行うと、大きな位相変化に対しても2$$pi$$の不定性なく一意にシフト量を決定できるため、測定レンジが拡大される。また、偏極ビームを用いると、磁場有感型のTalbot-Lau干渉イメージングも可能になる。これまでに視野2 cm角の干渉計を開発し、金属ロッド等をテストサンプルとして波長分解型および偏極型位相イメージングの実証実験を行った。

口頭

Gd基金属ガラスを用いた中性子位相イメージング用吸収格子の製作

上野 若菜; 篠原 武尚; 關 義親; 甲斐 哲也; Parker, J. D.*; Sadeghilaridjani, M.*; 加藤 秀実*; 矢代 航*; 百生 敦*

no journal, , 

3枚の回折および吸収格子から構成されるTalbot-Lau干渉計を用いた中性子位相イメージングでは、物質透過後の中性子の位相変化を利用し、従来の吸収コントラストと比較して高感度なイメージングが可能となるが、その撮像サイズや画質は、吸収格子の面積、および格子の製作精度により制限される。本研究では、中性子吸収断面積が極めて大きいGdを主成分とする金属ガラスのインプリント技術と、その型になるSiウエハの微細加工とを組み合わせて、干渉計に使用する吸収格子を製作した。インプリント技術では、型の形状がそのままガラスに転写されるため、その製作精度が重要である。また、上質な画像を得るための格子の周期と高さはミクロンオーダーでかつ高アスペクト比である。そこで型は、フォトリソグラフィおよびシリコン深堀エッチング(Deep-RIE)により製作した。今回、中性子吸収格子として、2cm角の周期9$$mu$$m、高さ30$$mu$$mのGd基金属ガラス格子を製作したので報告する。

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