[論文レビュー] Origins and dissociation of pyramidal dislocations in magnesium and its alloys

Zhigang Ding, Wei Liu+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2017

Magnesium Alloys: Properties and Applications参考文献 39被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、マグネシウム合金におけるピラミッド型 <c + a> ディスロケーションが、ヨッティウム（Y）を添加すると、ピラミッド I 平面では優先的に形成されるが、ピラミッド II 平面ではより容易に解離することを明らかにした。分散を含む密度汎関数理論および分子動力学を用いて、著者らはY合金化がピラミッド II 平面における積層欠陊の安定化をもたらし、平坦なポテンシャルエネルギーサーフェスを形成することにより、協同的原子運動を可能にし、ピラミッド II 滑り系を活性化することを示した。これにより、Mg-Y合金における室温での延性の向上が説明された。

ABSTRACT

Alloying magnesium (Mg) with rare earth elements such as yttrium (Y) has been reported to activate the pyramidal slip systems and improve the plasticity of Mg at room temperature. However, the origins of such dislocations and their dissociation mechanisms remain poorly understood. Here, we systematically investigate these mechanisms using dispersion-inclusive density functional theory, in combination with molecular dynamics simulations. We find that dislocations form more readily on the pyramidal I plane than on the pyramidal II plane in Mg. The addition of Y atoms in Mg facilitates the dissociation of dislocations on pyramidal II, leading to the easier formation of the pyramidal II than pyramidal I in Mg-Y alloy. Importantly, in pyramidal II slip plane, a flat potential-energy surface (PES) exists around the position of stable stacking fault energy (SFE), which allows cooperative movement of atoms within the slip plane. Alloying Mg with Y atoms increases the range of the PES, and ultimately promotes different sliding pathways in the Mg-Y alloy. These findings are consistent with experimentally observed activation of the pyramidal II slip system in Mg-Y alloys, and provide important insight into the relationship between dislocation structure and macroscopic enhancement of plasticity.

研究の動機と目的

• マグネシウムおよびその合金におけるピラミッド型 <c + a> ディスロケーションの起源と解離メカニズムを理解すること。
• ランタニド元素の一つであるヨッティウム（Y）が、室温におけるMgの延性を向上させる理由を明確にすること。
• Yが特定の滑り面における積層欠陊の安定化とディスロケーションの可動性を促進する役割を調査すること。
• 原子スケールでのディスロケーション行動とMg-Y合金におけるマクロな延性向上を結びつけること。

提案手法

• ピラミッド I 平面およびピラミッド II 平面における <c + a> ディスロケーションの生成および解離エネルギーを計算するために、分散を含む密度汎関数理論（DFT-D）を用いた。
• 滑り中の動的ディスロケーション行動および原子再配置を調査するために、分子動力学（MD）シミュレーションを実施した。
• 安定積層欠陊（SFE）位置周辺のポテンシャルエネルギーサーフェス（PES）を分析し、原子の可動性および協同的運動を評価した。
• 純粋なMgとMg-Y合金間のPES特性を比較することで、Yがディスロケーション解離および滑り面安定性に与える影響を評価した。
• DFTを用いて積層欠陊エネルギーを計算し、異なる滑り系の熱力学的有利性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 純粋なマグネシウムでは、なぜ <c + a> ディスロケーションがピラミッド I 平面よりもピラミッド II 平面に形成されにくいのか？
• RQ2 ヨッティウム添加が、Mg-Y合金のピラミッド II 平面における <c + a> ディスロケーションの解離にどのように影響するのか？
• RQ3 ピラミッド II 平面におけるディスロケーション移動の過程で、協同的原子運動を可能にするポテンシャルエネルギーサーフェス（PES）の役割は何か？
• RQ4 ピラミッド II <c + a> 滑り系は、生成エネルギーがより高いにもかかわらず、なぜMg-Y合金で優先的に活性化されるのか？
• RQ5 Mg-Y合金におけるPESの範囲および平坦さは、純粋なMgと比較して、どのように異なるすべり経路を促進するのか？

主な発見

• 純粋なマグネシウムでは、ピラミッド I 平面における <c + a> ディスロケーションの生成エネルギーが低いため、ピラミッド II 平面よりも容易に形成される。
• ヨッティウム添加により、Mg-Y合金のピラミッド II 平面における <c + a> ディスロケーションの解離が促進され、この滑り系の活性化が可能になる。
• Mg-Y合金のピラミッド II 平面では、安定積層欠陊エネルギー（SFE）位置周辺に平坦なポテンシャルエネルギーサーフェス（PES）が存在し、協同的原子運動を可能にする。
• Y合金化によりPESの範囲が拡大され、ピラミッド II 平面におけるディスロケーションの安定性および可動性が向上する。
• これらの原子スケールのメカニズムが、室温におけるMg-Y合金の実験的延性向上を説明している。