[論文レビュー] Screw dislocations in BCC transition metals: from <i>ab initio</i> modeling to yield criterion

Emmanuel Clouet, Baptiste Bienvenu+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Microstructure and mechanical properties参考文献 110被引用数 39

ひとこと要約

この論文は ab initio DFT を用いて BCC タングステンにおける 1/2<111>ねじれ転位の 2D Peierls ランドスケープを構築し、T/AT および非滑走効果を含む非Schmid降伏基準を導出し、実験と比較する。

ABSTRACT

We show here how density functional theory calculations can be used to predict the temperatureand orientation-dependence of the yield stress of body-centered cubic (BCC) metals in the thermallyactivated regime where plasticity is governed by the glide of screw dislocations with a 1/2 &lt;111&gt; Burgers vector. Our numerical model incorporates non-Schmid effects, both the twinning/antitwinning asymmetry and non-glide effects, characterized through ab initio calculations on straight dislocations. The model uses the stress-dependence of the kink-pair nucleation enthalpy predicted by a line tension model also fully parameterized on ab initio calculations. The methodology is illustrated here on BCC tungsten but is applicable to all BCC metals. Comparison with experimental data allows to highlight both the successes and remaining limitations of our modeling approach.

研究の動機と目的

• BCC 金属の塑性をねじれ転位滑り機構で理解する動機付け。
• 非Schmid 効果とキンク対生成が熱励起領域の降伏を支配する様子を定量化する。
• DFT データに基づく、温度と向き依存を捉える降伏基準を開発する。
• チタン tungsten に対して方法論を実 illustrate し、他の BCC 金属への適用性を議論する。

提案手法

• 1/2<111> ねじれ転位を、転位偶対を模擬する四重対周期境界配置を用いてモデル化する。
• DFT によって 2D エネルギーランドスケープ V_P^2D(x,y) を、easy, split, hard コアおよびサドル構成を含めて計算する。
• 外部応力下でのペイラル障壁と障壁高さを NEB によって算出し、ペイラル応力 tau_P を抽出する。
• 転位経路に沿った 1D エンタルピー障壁を導出し、適用応力と障壁の傾斜を関連づけ、修正された Schmid 法を導く。
• 非Schmid 効果と T/AT 非対称性を考慮するため、軌道角 alpha を用いた応力依存の補正を導入する。
• コア緩和体積を 2D Eshelby 風のコア場として取り入れ、非体積的格子応答を説明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BCC タングステンにおける 1/2<111> ねじれ転位の 2D ペイラルポテンシャルは、転位位置とともにどう変化するか？
• RQ2 非Schmid 効果（T/AT 非対称性と非滑走応力を含む）が、BCC ねじれ転位の降伏基準をどう修正するか？
• RQ3 ab initio データを用いて、BCC 金属の温度依存・向き依存の降伏応力を予測できるか？
• RQ4 滑り障壁とキンク対核生成を決定づける転位コアのトポロジー（easy/hard/split）の役割は？
• RQ5 転位経路の直線からの逸脱が MRSSP 指向性全体で観測される降伏挙動にどう影響するか？

主な発見

• BCC タングステンのねじれ転位コアは非縮退でコンパクトであり、easy, split, hard, saddle コア構成が同定されている。
• ペイラル障壁はシングル・ハンプ型のプロファイルを示し、easy コア間のサドル点と、応力下での障壁への小さな弾性補正を含む。
• 0 K におけるペイラル応力は研究対象の構成で ~1970 MPa であり、実験外挿値よりもかなり大きい。
• 転位の経路は split コアへと傾斜し、T/AT 非対称性と関連づけられ、この逸脱は方位角 alpha によって定量化できる。
• 軌道角 alpha を取り入れた修正 Schmid 法は、降伏応力を MRSSP の向き chi に依存させ、 tau_P(chi) = cos(alpha)/cos(chi - alpha) * tau_P^0 を満たし、T/AT 非対称性を定性的に捕捉する。
• 非滑走コア膨張場は緩和体積と張力-圧縮非対称性に寄与し、応力応答とエネルギーランドスケープに影響する。