極端なレーザー変形下でのタンタルの相変態 | 株式会社ピークライダーソリューションズ

Scientific Reports volume 5、記事番号: 15064 (2015) この記事を引用

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金属の構造的および機械的応答は、相変態と密接に関係しています。たとえば、相変態の生成物 (マルテンサイト) は鋼の驚異的な範囲の強度と靭性の原因となり、鋼を多用途かつ重要な構造材料にしています。金属や合金は豊富に存在しますが、新しい相変態の発見は現在一般的な出来事ではなく、多くの場合、実験、予測計算、運の組み合わせが必要です。高エネルギーパルスレーザーを使用すると、極度の圧力と温度の探査が可能になり、そのような発見が存在する可能性があります。極端な圧力、温度、ひずみ速度にさらされた 4 つの結晶方位を持つ回収された単結晶体心立方タンタルで六方晶 (オメガ) 相の形成が観察されました。これは、高エネルギーのパルスレーザーを使用して実現されました。オメガ相と双晶は、70 GPa での透過型電子顕微鏡によって確認されました (対応する VISAR 実験によって決定)。衝撃圧縮の一軸ひずみ状態によって生成されるせん断応力が変形において重要な役割を果たすことが提案されています。分子動力学シミュレーションでは、同じ応力状態 (圧力とせん断) のもとで、小さな結節が体心立方構造から六方最密構造に変化することが示されています。

相転移は、材料の特性を決定および制御する上で最も重要です。タンタルはモデル体心立方体 (BCC) 金属です。圧力と温度の上昇に対するその高い相安定性 1 により、研究者は相変化に伴う複雑さを伴うことなく可塑性を探索できるようになりました。

しかし、タンタルの高圧高温多形性に関しては、実験的および理論的論争が続いています。 Burakovsky et al.2 は、単結晶 Ta の高圧温度領域 (約 70 GPa 以上) におけるオメガ (ω) 相の存在を予測する非経験シミュレーションを実施しました。 Haskins et al.3 は、密度汎関数理論に基づくモデルと一般化擬ポテンシャルを使用して、六方晶相のサイズ効果を特定しました。 Shang et al.4 は、純粋なタンタルを含む 76 種の元素固体の相転移圧力を体系的に計算し、一般化勾配近似内でプロジェクター拡張波法を使用することにより、67.5 および 285 GPa での fcc-hcp 転移について言及しました。 Hsiung と Lassila 5、6、7、8 は、純粋な Ta および Ta-W 合金中の双晶と ω 相を実験的に観察しました。 bcc から六方晶系への相転移は、Ta-10 W 合金では約 30 GPa で、多結晶 Ta では 45 GPa で 1.8 μs の負荷持続時間で発生しました。 Hsiung と Lassila7,8 は、衝撃圧力がタンタルの bcc 相から ω 相へのせん断に基づく変態を引き起こすことを示すメカニズムを提案しました。 ω 相の存在の可能性は文献で広く議論されていますが、不純物や粒界効果に関連してその形成と安定性についてはかなりの不確実性があります。

このレポートの目的は、非常に短い持続時間 (約 3 ns) で衝撃圧縮された、異なる方位 ([001]、[110]、[111]、[123]) の単結晶タンタルにおける固相変態の観察を説明することです。 )、一軸ひずみ状態での高いひずみ速度 (~108 s-1)。これらの観察は分子動力学シミュレーションによって裏付けられており、高エネルギーパルスレーザー圧縮によって生成される高圧、せん断ひずみ、ひずみ速度の極端な領域で核形成される相転移の強力な事例となっています。極度の応力状態は、タンタル試験片が置かれたカプセルに侵入する圧力波を生成する 6 つの同時入射レーザーパルスによって生成されました (図 1)。詳細は「メソッド」セクションで説明されています。

(a、b) Ta 単結晶を衝撃圧縮するために使用されるアセンブリ。勢いの罠に注意してください。 (c) 684 J のレーザー衝撃エネルギーに対する深さの関数として計算された圧力 (1-D LASNEX および正規化パラメーターを使用)。

下部構造の透過型電子顕微鏡 (TEM) 回折パターンは、ソフトウェア DIFFRACT を使用してシミュレートされました。 BCC Ta の格子パラメータは 0.3304 nm です。 BCC Ta 行列の双晶構造の場合、格子パラメータは同じです。双晶構造とマトリックスの結晶学的関係は、補足資料内の表 S1 にあります。

ω 相の回折パターンのシミュレーションでは、Hsiung と Lassila によって特定された構造が使用されました 7,8。これは、格子パラメータ a = b = 0.468 nm、c = 0.2886 nm、α = β = 90°、γ = 120° を持つ擬似六方晶構造です。原子の位置は、単位格子次元で (0, 0, 0)、(0.6853, 0.3146, 0.5)、および (0.3146, 0.6853, 0.5) です。 ω 相と BCC マトリックスの関係は補足資料に記載されています。 [110] フォイル法線軸と [131] ゾーン軸を例として使用して、回折パターン内の双晶と ω の追加回折スポットを図 2 に示します。ここで、それらのサイズは強度に対応します。双晶面は、図 2(a) に示す 2 対のマトリックスと双晶スポット (() と ()) の間の鏡面対称の面であるため、です。図 2(b) は、同じマトリックスおよび配向の ω 相基礎構造スポット (中空の円) を含むシミュレートされた回折パターンです。青い影付きの円で示されるように共有スポットがありますが、追加スポットの分布が双子の分布とは異なることは明らかです。したがって、衝撃誘起基礎構造は、図2(c)に示す電子回折パターン(箔法線=[123]、ゾーン軸[101])によって識別できます。 bcc、双晶、ω の違いは明確であり、構造を簡単に識別できます。驚くことではないが、ω 構造と双晶構造が共有するスポットが最も明るく見え、ある程度の共存を示唆している。

法線 [110] およびゾーン軸 [131] 回折パターンをフォイルします。

(a) 模擬双晶スポット (白丸と下付き文字 t)、(b) 模擬オメガ相スポット (赤白丸)、大きな青い丸は共有回折スポットに対応します (c) 実験回折パターン。

私たちの実験で観察された下部構造は、Hsiung と Lassila が使用したパルスの 1/500 である約 3.7 ns の持続時間のパルスの後に発生します5、6、7、8。図 3 は、3 つの異なる方向 [110]、[111]、[123] の TEM 暗視野顕微鏡写真を示しています。各方向の対応するショットエネルギーとフォイルの深さは次のとおりです。 [110] クレーターの底から約 200 μm 下の位置で 625 J。 [111] クレーターの底から 245 μm 下で 661 J、[123] クレーターの底から 200 μm で 633 J。 LASNEX シミュレーション結果から、この位置での対応する圧力は約 71 GPa です。挿入された回折パターン内の円は、暗視野画像に使用されるスポットを示します。シミュレーションソフトウェアから、マトリックス回折パターンを識別し、[110] のゾーン <131>、[111] のゾーン <113>、および [123] 単結晶タンタルのゾーン <011> によって示すことができます。

(a) 625 J の [110] 単結晶 Ta 駆動エネルギーにおける ω 相 (明るい領域) を示す暗視野 TEM 画像 (クレーターの下 200 μm の箔、約 71 GPa の圧力に相当)。 (b) [111] 単結晶 Ta 駆動エネルギー 661 J (クレーター下 245 μm の箔、約 71 GPa の圧力に相当)。 (c) [123] 633 J の単結晶 Ta 駆動エネルギー。

クレーター下 200 μm での公称 650 J ショットの場合、対応する圧力は約 71 GPa です。

相の形態および回折パターンを Hsiung および Lassila の結果と比較すると、基礎構造は ω 相であると結論付けることができます。 ω 相の平面境界は、界面エネルギーが重要な役割を果たしていることを示唆しています。特定の方向でエネルギーが最小化されるプロセスがあるようで、これは相境界でよく見られる現象です。 ωドメインの横方向の寸法は約0.2〜0.4μmです（図3（a、b））。これらのプレートは、[123] 単結晶 Ta ではより短く、ブロック状になります (図 3(c))。 Hsiung と Lassila 5,6,7,8 もジグザグ状の ω 相の形成を観察し、これは同じ変異体のオメガブロックの合体によるものであると示唆しました。これらのファセット粒界は、生成物と母相の組成が同一であるにもかかわらず、拡散プロセスによって境界が移動する大規模な変態の特徴です。 50 年代から研究されており (Massalski9 など)、大規模な変態は純粋な元素でも発生する可能性があり、合金に限定されません。ここで観察されたファセットは、Aaronson によって報告されたファセットと非常に似ています 10。

Florando et al.11 の実験結果の後方散乱回折および極点図解析は、[110] および [123] 配向の単結晶での双晶形成が比較的起こりやすいことを示しています。これら 3 つの方向における ω の体積分率も、図 3 に示す TEM 画像から計算できます。応力のせん断 (偏差) 成分は重要であり、α から ω への変換にはシャッフルが必要であるため、かなりの確率で計算されます。応力のせん断成分が変形に寄与するということです。せん断応力は反応や相転移に大きな影響を与えることがわかっています。これは最初に Bridgman12 によって認識され、その後 Teller13 によって認識されました。 Enikolopian 14 はポリマーの影響を体系的に調査し、Chen ら 15 は、Ti 粉末と Si 粉末間の発熱反応の閾値圧力がせん断応力の重畳によって大幅に減少することを示しました。衝撃圧縮では、せん断成分が非常に重要であり、せん断応力 (τmax) と圧力 (p) の間には次のような比があります。

タンタルの場合、ゼロ圧力 C11 = 260.9 GPa および C12 = 165.2 GPa (Sang et al.4) により、比は 0.49 になります。塑性変形やせん断変形が起こると、この値は緩和されます。この値は圧力依存性も示します。

相変態率と結晶配向の関係は、ω 相の形成に関与するシャッフルの面 ({112}) と方向 ([111]) に作用するせん断応力の観点から合理化できます。せん断応力は、Lu16 によって概説された手順を使用して計算できます。衝撃圧縮における一軸ひずみの状態は、非ゼロ成分を 1 つだけ含むテンソルで表されます。

応力は、一般化されたフックの法則を通じてひずみから計算できます。

ここで、Cijkl は弾性剛性マトリックスです。この行列は、軸 [100]、[010]、[001] を持つ直交フレームを参照します。他の衝撃圧縮方向の分解されたせん断応力を取得するには、以下の変換則に従って剛性テンソルをそれぞれの座標系に変換する必要があります。ここで lij は新しい座標系と古い座標系を関連付ける方向余弦です。。

4 つの衝撃圧縮方向の TEM 顕微鏡写真から測定された変態率は、降順で次のとおりです。[110]:0.59; [123]:0.34; [111]:0.24; および [001]: <0.05。後者の変換率は非常に低く、局所的でした。最も適切に配向された {112}[111] 系の最大分解せん断応力は次のとおりです。[123]:68.1; [110]:63.9; [110]:51.7、[001]:50。応力の単位は ε33GPa であるため、圧力ごとに、対応するひずみをランキン-ユゴニオの関係から計算し、式に挿入する必要があります。 [123] 配向は最も高いせん断応力 (0.69 ε33 GPa) を持ち、2 番目に高い変態率 0.34 に相当します。一方、[001] 配向は最も低い分解せん断応力 (0.50) を持ち、示されなかった相変態のごく一部のみを示します。以前の研究で定量化されている17。したがって、{112}[111] 系のせん断応力が重要な役割を果たしていると考えられます。この変態は、マイクロメートル粒径の多結晶でも観察されました 5、6、7、8 が、ナノ結晶では観察されませんでした 18 。これは、粒径に依存する変形メカニズムも強い役割を果たしている可能性があることを示しています。ただし、この時点では 1 対 1 の対応関係は見つかりませんでした。

衝撃を受けた[110]タンタル単結晶の分子動力学シミュレーションでも、閾値圧力75 GPaおよび対応するせん断応力13 GPaを超えるとbcc六方晶相変態が起こることが明らかになった。シミュレーションでは、Ta19 用に最近開発された EAM ポテンシャルを使用しました。興味深いことに、このポテンシャルは固体-固体相転移を伴わない高圧への適用可能性を拡張するために開発され、適用された静水圧に対して bcc-hcp エンタルピー障壁が 460 GPa まで負であることを明示的に示しています。このポテンシャルを使用した他の研究では、優先方向に沿ってもそのような相変化は明らかにされていません 21、22、23。これは、静水圧が増加しても自由エネルギー交差が見られない DFT シミュレーションと一致しています 2,24。

衝撃波面の直後にある六角形クラスターのかなりの体積分率が図 4(a) に見られます。クラスターは通常、双生児の境界付近で核を形成し、双生児と双生児の交差点での発生率が高いように見えます。それらのサイズは 10 原子から 500 原子までさまざまで、直径は数ナノメートルに達します。大きなクラスターの例は、ファンデルワールス原子半径パッキングと六方晶結合をそれぞれ示す図4(b、c)に見ることができます。六角形構造の同定は、反復的に定義されたカットオフパラメーターを通じて多相システムのコンポーネントを区別するのに適した方法論である適応共通隣接分析 25 によって可能になりました。図 4(d) は、衝撃の方向イメージングマップを示しています。元の結晶方位 [110] は緑色で色付けされ、<100> 方位に近い双晶は赤色で色付けされます。ショックフロントは、ショックフロントのさらに後ろの材料と比較して、より多くの数の双晶とより大きな体積の六方晶系相を含んでいます。双晶離れと衝撃誘起転位が六方晶相の安定性と残留体積分率に重要な役割を果たしている可能性があると推測できます。

粒子速度 1.1 km/s (衝撃圧力 120 GPa 付近) での衝撃を受けた [110] タンタル結晶の分子動力学シミュレーション。

(a) 適応共通隣接分析 25 によってフィルタリングされ、隣接数によって色付けされた六角形の位相。約 500 個の原子からなる六角形クラスターの拡大画像。(b) パッキングと (c) 結合を示します (Ovito35 による画像)。 (d) 緑が <110> 方向、赤が <100> 方向に対応する方向イメージングマップ (SPaSM37 に実装された MD_render36 によるイメージング)。

我々は、体心タンタルの閾値圧力70 GPaを超えると3.7 ns以内にオメガ（六方晶系）相変態が観察されたことを報告する。 Hsiung と Lassila による以前の観測 (tp ~1.8 μs で 45 GPa) よりも、変態圧力は 2 倍近く高く、時間は 500 分の 1 低いです。衝撃時間と変態圧力の関係は、鉄の bcc-fcc 相変化の速度論的制約に似ており、より高いひずみ速度では 13 GPa から 20 ～ 35 GPa に変化します 26、27、28、29。

現在の結果とは対照的に、静水圧の計算では、ω 相と β (BCC) 相の間のエネルギーの差が圧力とともに増加することが示されています 2,24。これは、変形における圧力に関連するせん断応力の重要な役割を示しています。

分子動力学シミュレーションにより、格子内の大幅なせん断変形を伴うナノメートルの六角形変態団塊の形成が明らかになりました。せん断応力の重要性は、静水圧圧縮だけでは変形を生じさせることができない MD シミュレーションでも裏付けられています。

4 つの方位 [001]、[110]、[111]、および [123] の純粋な単結晶タンタルを、直径 3 mm、高さ 3 mm の寸法の円筒形試験片として MarkeTech Intl, Inc. から入手しました。 Evans Analytical Group が測定した Ta の格子間不純物 (重量 ppm) は、O: <10、N: <10、H: 7.6、C: <10 です。レーザー回復実験は、ロチェスター大学レーザーエネルギー研究所 (オメガ施設) で実施されました。この実験装置は、面心立方晶金属の回収について以前にテストされており 30、31、32、33、29 、他の場所で詳細に説明されています 16、17、18。ターゲットパッケージは、レーザー衝撃圧縮後のタンタルターゲットパッケージの減速媒体として機能するシリカエアロゲルが充填されたカプセルで構成されています（図1(a)）。図1bに詳細を示す円筒形のタンタル単結晶ターゲットは、タンタルワッシャーの後ろに配置され、反射引張波を最小限に抑えるためにTa運動量トラップによってバックアップされました。ＶＩＳＡＲ（任意の反射鏡用の速度干渉計システム）ドライブの実験は、Ａｌ−ＬｉＦの校正サンプルで実施された。界面速度データにより、さまざまな荷重条件における圧力対時間の推定が可能になり、1-D LASNEX を使用した流体力学シミュレーションにおけるその後の入力として機能します。 VISAR データと流体力学計算に基づいて、エネルギーの関数としての圧力減衰プロファイルをかなりの確実性で確立できます。 684 J の入力エネルギーの場合、予測される減衰を図 1(c) に示します。

衝撃を受けたターゲットは、走査型電子顕微鏡 (Phillips XL30 ESEM) および透過型電子顕微鏡 (Tecnai F20、200 kV で動作) を使用して検査されました。 [110]、[111]、および [123] の 3 つの方向を電解研磨するのは難しいため、透過型電子顕微鏡 (TEM) 箔は主に集束イオンビーム (FIB; Hitach NB-5000 FIB-SEM) 技術によって作成されました。 FIB 用に準備されたサンプルは半分に切断され、エポキシに取り付けられました。断面は、Al2O3 ペーストを使用して 0.05 μm まで機械的に研磨され、FIB フライス加工手順のために Ir の薄層でコーティングされました。 FIB サンプルは衝撃伝播方向に対して垂直、Ta 試験片の表面に対して平行で、厚さは 50 ～ 100 nm でした。この切断手順と方向には 2 つの利点があります。(1) 切断サンプルの方向は既知です。 (2) VISAR と計算結果から、圧力を深さの関数として計算できるため、フォイル面での圧力を正確に確立できます。圧力減衰は方向とは無関係に仮定されます。したがって、625 J のレーザー誘起衝撃パルスを受けた [110] 単結晶 Ta サンプルの場合、クレーターの下 200 μm の距離 (クレーターの深さは約 166 μm) の圧力は約 71 GPa になります。

分子動力学シミュレーションは、凍結ピストンによって駆動される衝撃波を使用して LAMMPS パッケージ 34 を使用して実行されました。

この記事を引用する方法: Lu, C.-H. 他。極端なレーザー変形下でのタンタルの相変態。科学。議員 5、15064; 土井: 10.1038/srep15064 (2015)。

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この研究は、UC Research Laboratories Grant (09-LR-06-118456-MEYM) および National Laser Users Facility (NLUF) Grant (PE-FG52-09NA-29043) によって資金提供されています。電子顕微鏡検査は、米国エネルギー省科学ユーザー施設部門がオークリッジ国立研究所に後援する SHaRE ユーザー施設で実施されました。我々は、ティモシー S. ベイカー博士への NIH 補助金とアグロン研究所から UCSD への寄贈によって支援されている UCSD 極低温電子顕微鏡施設の使用に感謝します。計算リソースは、極限環境材料のエクサスケール共同設計センターを通じて、DOE 科学局、先端科学コンピューティング局 (ASCR) によって支援されました。

カリフォルニア大学サンディエゴ校、ラホーヤ、92093、CA、米国

C.-H. ルー、EN ハーン、MA マイヤーズ

ローレンス・リバモア国立研究所、リバモア、94550、カリフォルニア州、米国

BA レミントン & BR マドックス

正確自然科学部、クヨ国立大学、メンドーサ、5500、アルゼンチン

IN ブリンガ

CONICET、メンドーサ、5500、アルゼンチン

IN ブリンガ

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MAMとBARがプロジェクトを提案し、すべての作業を監督しました。 CHL、BM、BAR が有効になり、実験テストを実行しました。 ENH と EMB はシミュレーションを完了しました。 CHL、ENH、MAM が数値を作成しました。著者全員がこの論文の議論に貢献しました。

著者らは、競合する経済的利害関係を宣言していません。

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Lu, CH.、Hahn, E.、Remington, B. 他極端なレーザー変形下でのタンタルの相変態。 Sci Rep 5、15064 (2015)。 https://doi.org/10.1038/srep15064

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受信日: 2015 年 8 月 10 日

受理日: 2015 年 9 月 7 日

公開日: 2015 年 10 月 19 日

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材料科学ジャーナル (2022)

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