Characterization and Modeling of High-Temperature Plasticity in α + β Ti-6Al-4V Alloy = α+β 상에서의 Ti-6Al-4V합금의 고온 소성 변형 거동 규명 및 모델링

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Optimizing the α + β microstructure of Ti-6Al-4V alloy through thermo-mechanical processing is inherently challenging due to the heterogeneity between the crystallographic characteristics of the α and β phases and the bimodal morphology of α. This thesis investigates the microstructural evolution and dynamic restoration mechanisms during isothermal com-pression of Ti-6Al-4V across near-α (850 °C), α + β (900 °C and 925 °C), and near-β (950 °C) temperature regimes. Systematic experimentation reveals that deformation temperature and strain level critically influence the prevailing restoration mechanisms.
At near-α temperatures, flow softening occurs primarily through dy-namic recrystallization (DRX) of α grains. Near-β conditions promote dynamic phase transformation (DPT) up to a critical strain, followed by a transition in β grains from dynamic recovery (DRV) and coarsening to continuous DRX (CDRX), facilitating grain refinement and moderating flow softening rates. In the α + β region, restoration mechanisms depend on the relative proximity to near-α or near-β conditions. Across all re-gimes, the activation of distinct slip systems in the α and β phases gov-erns dislocation movement, contributing to DRX, DPT, and reverse dy-namic phase transformation (RDPT).
To complement the experimental findings, a cellular automata (CA) model was proposed to predict flow curves and simulate microstructure evolution. The model integrates the interplay among dynamic restoration mechanisms (DRX, DRV, DPT, RDPT), and phase stability under varying deformation conditions. This thesis provides a comprehensive framework for understanding and predicting the complex microstructural behavior of Ti-6Al-4V alloy during high-temperature deformation, offering a frame-work for designing thermo-mechanical processing parameters to achieve tailored microstructures and enhanced mechanical properties in Ti-6Al-4V.

국문 초록 (Abstract)

열-기계적 처리를 통해 Ti-6Al-4V 합금의 α + β 미세구조를 최적화는 α 상과 β 상의 결정학적 특성 간의 이질성과 α상의 bimodal 형태로 인해 어려움이 많다. 이 학위 논문에서는 Ti-6Al-4V의 동온 압축 동안 near-α (850 °C), α + β (900 °C 및 925 °C), near-β (950 °C) 온도 영역에서의 미세구조 변화와 동적 회복 메커니즘을 체계적인 실험을 통해 규명하고자 한다. 변형 온도와 변형량이 회복 메커니즘에 중요한 영향을 미친다는 사실을 확인하였으며, 동적회복(DRV), 동적재결정(DRX), 동적상변태(DPT)에 더해 역동적상변태(RDPT)가 복합적으로 발생하는 것을 규명하였다.
본 학위 논문을 통해 동일 소재에서 초기 고온 미세조직에 따라 등온 변형 중 발생되는 미세조직 변화가 달라짐을 확인하였다. Near-α 온도에서는 주로 α 결정립의 DRX을 통해 유동 연화가 발생되며 near-β 조건에서는 임계 변형률까지는 DPT가 촉진되고 이 후의 변형 상태에서는 β 결정립이 DRV 및 결정립 조대화 메커니즘에서 연속 동적재결정(CDRX)로 전환됨을 규명하였다. 이러한 메커니즘 변화로 인해 유동 연화가 가속화 또는 완화되는 효과를 확인하였다. α+β 영역에서는 회복 거동이 near-α 또는 near-β에 근접한 조건인가에 따라 달라지는 것 또한 규명하였다. 상세 연구를 통해 모든 온도 영역에서 α 상과 β 상의 전단계(slip system) 활성화에 따라 전위(dislocation) 이동이 결정되며, 이는 DRX, DPT 및 RDPT에 영향을 미치는 것으로 규명하였다.
실험적으로 얻은 결과를 바탕으로 기존의 셀룰러오토마타(CA) 모델보다 강건성있게 유동 곡선 및 미세구조 변화 거동을 예측하기 위한 모델을 제안하였다. 기존의 모델과 달리 본 모델은 결정립의 동적 회복 거동인 DRX, DRV, DPT, RDPT 를 모두 반영하였다.
이 학위 논문은 고온 변형 중 Ti-6Al-4V 합금의 복잡한 미세구조 거동을 이해하고 예측하기 위한 포괄적인 프레임워크를 제공함으로써, 미세구조 제어를 통한 열-기계적 처리 최적화 연구에 기여하고자 한다.

목차 (Table of Contents)

• List of Figures ix
• List of Tables xiv
• Introduction 1
• 1.1 Background 1
• 1.2 Thermo-mechanical processing Ti-6Al-4V 2
• 1.3 Dynamic restoration mechanisms 3
• Brief summary 1
• 2.1 Characterization of microstructure during isothermal compression under quasi-static condition 2
• 2.2 Modeling and prediction of microstructure and flow stress during isothermal compression under quasi-static condition 3
• Part I 5
• Characterization of microstructure during isothermal compression under quasi-static condition 5
• Section 1 6
• Experimental procedure 6
• 3.1 Material 6
• 3.2 Mechanical characterization 8
• Experimental results 11
• 4.1 Flow curves 11
• Discussion 12
• 5.1 Thermal correction of flow curves 12
• 5.2 Friction correction of flow curves 16
• Section 2 19
• Microstructure characterization procedure 19
• 6.1 Parent β grain reconstruction 20
• Experimental results 22
• 7.1 As-received material microstructure 22
• 7.2 Microstructure observation results 25
• 7.2.1 Non-compressed initial microstructure 30
• 7.2.2 Near-α 39
• 7.2.3 Near-β 42
• 7.2.4 α + β phase 45
• Discussion 51
• 8.1 Static mechanisms 51
• 8.2 Dynamic restoration mechanisms 53
• 8.2.1 Dynamic phase transformation (DPT) 54
• 8.2.2 Dynamic recrystallization (DRX) 56
• 8.3 Dynamic restoration mechanisms in different microstructures 57
• 8.3.1 Dynamic mechanisms in near-α 57
• 8.3.2 Dynamic mechanisms in near-β 66
• 8.3.2.1 Dynamic mechanisms in near-β 70
• 8.3.2 Dynamic restoration mechanisms in α + β 72
• 8.4 Summary of dynamic restoration mechanisms in different microstructures 79
• Conclusion 82
• Part II 85
• Modeling and prediction of microstructure and flow stress during isothermal compression under quasi-static condition 85
• Introduction 86
• A cellular automata model for simulating dynamic recrystallization and phase transformation in Ti-6Al-4V 88
• 11.1 Evolution of dislocation density 92
• 11.2 Modeling dynamic recrystallization 93
• 11.2.1 Nucleation based on dislocation density 93
• 11.2.2 Grain growth 94
• 11.3 Modeling dynamic phase transformation 96
• 11.3.1 Nucleation 96
• 11.3.1.1 Dynamic phase transformation 96
• 11.3.1.2 Reverse dynamic phase transformation 98
• 11.3.2 Grain growth 99
• 11.4 Model parameter identification 100
• Results and discussion 103
• Conclusion 106
• Overall conclusion 107
• 14.1 Summary 107
• 14.2 Outlook 109
• Bibliography 110
• Korean abstract 123