[論文レビュー] Atomistic insights into the inhomogeneous nature of solute segregation to grain boundaries in magnesium

Risheng Pei, Zhuocheng Xie+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2022

Magnesium Alloys: Properties and Applications被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、3次元原子プローブトモグラフィー（APT）と原子論的シミュレーションを組み合わせることで、Mg-1.0 wt.%Nd-1.0 wt.%Mn合金における拡散相界（GB）への不溶性元素の偏析が、異なるGB方位および個々のGB平面内で2–5 at.%の範囲で著しく不均一であることが明らかになった。この不均一性は、局所的な原子配置の再配列と過剰な自由体積に起因し、各サイトの偏析エネルギーを制御する。従来の平均GB特性に基づくモデルでは説明できない。

ABSTRACT

In magnesium alloys with multiple substitutional elements, solute segregation at grain boundaries (GBs) has a strong impact on many important material characteristics, such as GB energy and mobility, and therefore, texture. Although it is well established that GB segregation is inhomogeneous, the variation of GB solute composition for random boundaries is still not understood. In the current study, atomic-scale experimental and simulation techniques were used to investigate the compositional inhomogeneity of six different GBs. Three-dimensional atom probe tomography results revealed that GB solute concentration of Nd in Mg varies between 2 to 5 at.%. This variation was not only seen for different GB orientations but also within the GB plane. Correlated atomistic simulations suggest that the inhomogeneous segregation behavior observed experimentally stems from local atomic rearrangements within the GBs and introduce the notion of potential excess free volume in the context of improving the prediction of per-site segregation energies.

研究の動機と目的

• 複数の溶質を含むMg合金における相界での不均一な溶質偏析の起源を理解すること。
• 局所的な原子構造と自由体積が、ランダムな相界における各サイトの偏析エネルギーに与える影響を調査すること。
• 平均GB特性を超えた局所的原子環境の影響を組み込むことで、溶質偏析の予測モデルを改善すること。
• 実験的APTデータと原子論的シミュレーションを照合し、構造的不均一性が偏析挙動に与える役割を検証すること。

提案手法

• 30 Kでレーザーパルスを用いた3次元原子プローブトモグラフィー（APT）を実施し、押出されたMg-1.0 wt.%Nd-1.0 wt.%Mn合金内の6つのランダムな相界における溶質分布を定量的に測定。
• 結晶学的方位マッピングを併用したTKD支援型FIBミリングを用いて、高精度なAPT試料の準備を実施。
• Mg-Nd系にMEAMポテンシャルを用いたLAMMPSを用いた原子論的シミュレーションにより、GB構造をモデル化し、各サイトの偏析エネルギーを計算。
• 固定境界条件と真空層を備えた円筒形のシミュレーションセルを用い、GB効果を分離。水圧応力とボロノイ体積解析を用いて、局所的ひずみおよび自由体積を評価。
• NdがGBサイトに置換された後の原子の緩和を定量化するために、各サイトの平均二乗変位（MSD）を用いた。
• 体積不適合とバルクモジュラスに基づく線形弾性モデルを適用し、偏析エネルギーを予測。シミュレート値と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Mg合金における異なる相界方位および個々のGB平面内でNd溶質原子が不均一に分布する原因は何ですか？
• RQ2 局所的な原子再配列と過剰な自由体積は、ランダムな相界における各サイトの偏析エネルギーにどのように影響しますか？
• RQ3 体積不適合に基づく線形弾性モデルは、非対称性の高い複雑なGBにおいて、実際の偏析エネルギーをどれほど正確に予測できますか？
• RQ4 原子論的シミュレーションは、Mg-Nd-Mn合金における異なるGBで観測された溶質濃度の変動（2–5 at.%）を再現できますか？
• RQ5 水圧応力とボロノイ体積を含む局所的原子環境は、個々のGBサイトにおける偏析エネルギーとどのように相関していますか？

主な発見

• APTの結果、Mgにおける相界におけるNd濃度は2〜5 at.%の範囲で変動し、異なるGB方位および個々のGB平面間で顕著な差が認められた。
• 原子論的シミュレーションにより、Nd置換後の局所的な原子再配列が不均一なひずみ場を生じ、水圧応力が局所的に0.2 GPaを超えることが明らかになった。
• シミュレートされた偏析エネルギーと局所的水圧応力の間に強い相関が観察され、ひずみの不均一性が不均一偏析を駆動していることが示された。
• 体積不適合に基づく線形弾性モデルは、偏析エネルギーの変動を低く見積もっており、過剰な自由体積と局所的原子緩和が重要な要因であるが、従来のモデルでは捉えられていないことが示唆された。
• GB平面全体で各サイトの偏析エネルギーに顕著な差が認められ、一部のサイトではエネルギー差が最大で1.5 eVに達した。これは観測された成分の不均一性を説明できる。
• 本研究では、偏析エネルギーを予測するための重要な要因として「潜在的過剰自由体積」の概念を提唱し、平均GB特性を超えた原子論的モデルの改善に道を開くものである。