[論文レビュー] Effect of a Micro-scale Dislocation Pileup on the Atomic-Scale Multi-variant Phase Transformation and Twinning

Yipeng Peng, Rigelesaiyin Ji+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2022

Microstructure and mechanical properties被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、共通の原子論的連続体（CAC）シミュレーションを用いて、原子的に構造化された界面におけるミクロスケールの不純度パックが、原子スケールの相転移（PT）およびタイニングを引き起こす仕組みを調査した。その結果、不純度パックがPTの開始に必要な臨界応力を5.5倍低減することが明らかになった。さらに、直接的な正方形から六角形への相転移およびその逆転移が発生し、熱力学的駆動力がゼロの状態でタインが形成されることが示された。これは、マルチスケールの塑性変形と相転移の結合を統合的に説明するフレームワークを提示するものである。

ABSTRACT

In this paper, we perform concurrent atomistic-continuum (CAC) simulations to (i) characterize the internal stress induced by the microscale dislocation pileup at an atomically structured interface; (ii) decompose this stress into two parts, one of which is from the dislocations behind the pileup tip according to the Eshelby model and the other is from the dislocations at the pileup tip according to a super-dislocation model; and (iii) assess how such internal stresses contribute to the atomic-scale phase transformations (PTs), reverse PTs, and twinning. The main novelty of this work is to unify the atomistic description of the interface and the coarse-grained (CG) description of the lagging dislocations away from the interface within one single framework. Our major findings are: (a) the interface dynamically responds to a pileup by forming steps/ledges, the height of which is proportional to the number of dislocations arriving at the interface; (b) when the pre-sheared sample is compressed, a direct square-to-hexagonal PT occurs ahead of the pileup tip and eventually grows into a wedge shape; (c) upon a further increase of the loading, part of the newly formed hexagonal phase transforms back to the square phase. The square product phase resulting from this reverse PT forms a twin with respect to the initial square phase. All phase boundaries (PBs) and twin boundaries (TBs) are stationary and correspond to zero thermodynamic Eshelby driving forces; and (d) the stress intensity induced by a pileup consisting of 16 dislocations reduces the stress required for initiating a PT by a factor of 5.5, comparing with that in the sample containing no dislocations. This work is the first characterization of the behavior of PTs/twinning resulting from the reaction between a microscale dislocation slip and an atomically structured interface.

研究の動機と目的

• 構造化された界面におけるミクロスケールの不純度パックが、原子スケールの相転移およびタイニングを誘発する役割を理解すること。
• ハイブリッド原子論的連続体モデルを用いて、不純度パックからの内部応力をエシュェルビーおよびスーパー不純度成分に分解すること。
• 不純度パックに対する界面の動的応答を、ステップ／レッジの形成および応力緩和メカニズムを含めて特徴付けること。
• 不純度に起因する内部応力が、相転移の臨界応力に与える低減を定量的に評価すること。
• すべての相境界およびタイン境界におけるゼロのエシュェルビー駆動力の計算により、相およびタイン境界の熱力学的平衡状態を検証すること。

提案手法

• 界面近傍で原子論的解像度を保ちつつ、それ以外の領域では粗粒化された不純度動力学を組み合わせる、共通の原子論的連続体（CAC）シミュレーションを採用する。
• 不純度パック先端の背後にある不純度からの応力場をエシュェルビー・モデルを用いて分解する。
• 不純度パック先端に存在する不純度からの応力寄与を分離するため、スーパー不純度モデルを用いる。
• 事前にせん断されたサンプルに単調圧縮荷重を印けて、相転移およびタイニングを誘発するシミュレーションを実施する。
• すべての相境界およびタイン境界における熱力学的エシュェルビー駆動力を計算し、平衡状態の妥当性を検証する。
• 不純度パック内の不純度数をスケーリングして、応力強度および転移閾値への影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミクロスケールの不純度パックは、構造化された界面における原子スケールの相転移およびタイニングにどのように影響を与えるか？
• RQ2 不純度パック先端の背後にある不純度と、先端に存在する不純度の両者が、合計内部応力場に果たす寄与は何か？
• RQ3 不純度パック内の不純度数が増加するに従い、応力強度係数はどのように変化するか？また、高密度に達した際に飽和するか？
• RQ4 不純度パックは、相転移を開始するために必要な臨界応力にどのような影響を与えるか？
• RQ5 新しく形成された相境界およびタイン境界は、ゼロのエシュェルビー駆動力によって示されるように、熱力学的平衡状態にあると見なせるか？

主な発見

• 界面は、到達する不純度数に比例した高さを持つステップまたはレッジを動的に形成する。
• ナノスケールの不純度パックでは、応力強度係数が不純度数に線形的に増加するが、ミクロスケールのパックで数十個の不純度が関与すると、飽和する。
• 圧縮荷重下では、不純度パック先端の前方に直接的な正方形から六角形への相転移が発生し、楔型構造へと進化する。このとき、二つの六角形相が互いにタイニング関係をとる。
• さらなる荷重により、六角形相から正方形相への逆相転移が発生し、その結果生じた正方形相は元の正方形格子に対してタイニングを形成する。
• すべての相境界およびタイン境界は静止しており、ゼロの熱力学的エシュェルビー駆動力が示され、熱力学的平衡状態が確認された。
• 16個の不純度からなる不純度パックは、欠陥のないサンプルと比較して、相転移の臨界圧縮応力を5.5倍低減した。