[論文レビュー] Role of interface morphology on the martensitic transformation in pure Fe

Pawan K. Tripathi, Shivraj Karewar+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2021

Microstructure and Mechanical Properties of Steels参考文献 52被引用数 20

ひとこと要約

本研究では、古典的分子動力学シミュレーションを用いて、純鉄におけるマルテンサイト転移を、ニシヤマ＝ワッサーマン方位関係に従う平坦界面と段差のある界面とで比較した。ミスフィット不純度のネットワークが界面における原子の変位を駆動する一方、段差は積層欠険を誘発し、界面移動度を低下させる。特に、移動度の温度依存性は平坦界面と段差のある界面で逆の傾向を示すことが判明し、形状にかかわらず転移メカニズムを統一的に理解する手がかりが得られた。

ABSTRACT

Using classical molecular dynamics simulations, we study austenite to ferrite phase transformation in iron, focusing on the role of interface morphology. We compare two different morphologies; a extit{flat} interface in which the two phases are joined according to Nishiyama-Wasserman orientation relationship vs. a extit{ledged} one, having steps similar to the vicinal surface. We identify the atomic displacements along a misfit dislocation network at the interface leading to the phase transformation. In case of extit{ledged} interface, stacking faults are nucleated at the steps, which hinder the interface motion, leading to a lower mobility of the inter-phase boundary, than that of flat interface. Interestingly, we also find the temperature dependence of the interface mobility to show opposite trends in case of extit{flat} vs. extit{ledged} boundary. We believe that our study is going to present a unified and comprehensive view of martensitic transformation in iron with different interface morphology, which is lacking at present, as extit{flat} and extit{ledged} interfaces are treated separately in the existing literature.

研究の動機と目的

• 平坦界面と段差のある界面を直接比較することで、マルテンサイト転移における界面移動度に関する矛盾する報告を解消すること。
• 界面の形態が純鉄におけるオーステナイトからフェライトへの転移における原子スケールのメカニズムにどのように影響するかを調査すること。
• 通常は独立して研究される平坦界面と段差のある界面の挙動を統合することで、マルテンサイト転移を統一的に理解すること。
• ミスフィット不純度ネットワークとステップに起因する積層欠陥が、界面移動と転移速度に果たす役割を特定すること。

提案手法

• 一貫した原子間ポテンシャル、境界条件、熱・圧力制御を用いた古典的分子動力学（MD）シミュレーションを実施した。
• 2種類の異なる界面形態をモデル化した：ニシヤマ＝ワッサーマン方位関係に従う平坦界面と、斜面表面に類似した段差を持つ界面。
• 原子の変位をリアルタイムで追跡し、界面における相転移を駆動するメカニズムを特定した。
• 両形態について温度関数として界面移動度を定量的に評価し、温度依存性を評価した。
• 共通近傍解析（CNA）および不純度同定ツール（例：AADIS）を用いて、不純度ネットワークと積層欠陥を特徴づけた。
• シミュレーションでは鉄にMEAMポテンシャルを用い、Nosé-HooverサーモスタットとParrinello-Rahmanバロスタットを用いたNVTアンサンブルで実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 界面の形態（平坦対段差）が、純鉄におけるマルテンサイト転移の原子スケールのメカニズムにどのように影響するか？
• RQ2 ミスフィット不純度ネットワークが、転移中に原子の変位をどのように媒介するか？
• RQ3 平坦界面と段差のある界面では、界面移動度の温度依存性がなぜ逆の傾向を示すのか？
• RQ4 段差のある界面のステップで発生する積層欠陥が、異相界面移動度にどのように影響するか？
• RQ5 界面の形態と欠陥構造が、転移速度と経路にどの程度影響を及えるか？

主な発見

• 転移は、界面に存在するミスフィット不純度ネットワークに沿った協調的な原子の変位によって駆動され、特に平坦界面で顕著に現れる。
• 段差のある界面では、ステップで積層欠陥が核化し、平坦界面と比較して異相界面移動度を低下させる障害物として機能する。
• 平坦界面では界面移動度が温度上昇とともに増加するが、段差のある界面では温度上昇に伴い移動度が低下するため、逆の傾向を示す。
• アウト・オブ・プレーン成分を示す原子運動は、段差のある界面でのみ観察され、ステップを介した成長を伴う別個の転移経路を示唆している。
• 本研究では、段差がBCC相の核化の好適なサイトであり、界面移動が段差ベクトルに従って誘導されることを明らかにした。
• 本研究の結果は、異なる界面形態におけるマルテンサイト転移を統一的に理解するフレームワークを提供し、かつて矛盾していた移動度に関する報告を統合した。