[論文レビュー] Segregation competition and complexion coexistence within a polycrystalline grain boundary network

Pulkit Garg, Zhiliang Pan+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2021

Microstructure and mechanical properties参考文献 94被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ハイブリッドモンテカルロ/分子動力学シミュレーションを用いて多結晶Cu-Zr合金における界面セグリゲーションおよび複相遷移を調査した。界面におけるZrの不均一なセグリゲーションが明らかとなり、局所的な濃度は全体平均よりも最大で1桁高い値を示した。また、高温条件下で秩序状態とアモルファス状態の複相が共存することを示し、多結晶ネットワーク内の構造的・組成的多様性を強調した。

ABSTRACT

Interfacial segregation can stabilize grain structures and even lead to grain boundary complexion transitions. However, understanding of the complexity of such phenomena in polycrystalline materials is limited, as most studies focus on bicrystal geometries. In this work, we investigate interfacial segregation and subsequent complexion transitions in polycrystalline Cu-Zr alloys using hybrid Monte Carlo/molecular dynamics simulations. No significant change in the grain size or structure is observed upon Zr dopant addition to a pure Cu polycrystal at moderate temperature, where grain boundary segregation is the dominant behavior. Segregation within the boundary network is inhomogeneous, with some boundaries having local concentrations that are an order of magnitude larger than the global value and others having almost no segregation, and changes to physical parameters such as boundary free volume and energy are found to correlate with dopant concentration. Further, another alloy sample is investigated at a higher temperature to probe the occurrence of widespread transitions in interfacial structure, where a significant fraction of the originally ordered boundaries transition to amorphous complexions, demonstrating the coexistence of multiple complexion types, each with their own distribution of boundary chemical composition. Overall, this work highlights that interfacial segregation and complexion structure can be diverse in a polycrystalline network. The findings shown here complement existing computational and experimental studies of individual interfaces and help pave the way for unraveling the complexity of interfacial structure in realistic microstructures.

研究の動機と目的

• 簡略化された二結晶モデルを超えて、多結晶材料における界面セグリゲーションおよび複相遷移を理解すること。
• ドーパント濃度および境界固有の性質が、現実の微細組織におけるセグリゲーション行動に与える影響を調査すること。
• 1つの多結晶ネットワーク内に、秩序状態とアモルファス状態の複数の複相タイプが共存するかを調査すること。
• 境界の自由体積およびエネルギーの変動と、局所的ドーパントセグリゲーションおよび構造的遷移の関連を明らかにすること。

提案手法

• 多結晶Cu-Zr系における原子スケールのダイナミクスおよび熱力学をモデル化するために、ハイブリッドモンテカルロ/分子動力学シミュレーションを用いた。
• セグリゲーションおよび相転移を調査するために、中程度および高温条件下でシミュレーションを実施した。
• 局所的ドーパント濃度、自由体積、エネルギーを評価し、構造的状態と相関をとるために、結晶粒界ネットワークを分析した。
• 界面構造の時間的変化を追跡し、秩序状態からアモルファス状態への複相遷移を検出した。
• 境界固有の性質の統計的分析を用いて、セグリゲーション度および構造的状態との相関関係を同定した。
• 異なる境界種別および方位を有する現実的な多結晶微細組織を組み込んだモデルを採用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中程度の温度下で、多結晶Cuマトリックス内の結晶粒界にZrセグリゲーションはどのように分布するか？
• RQ2 自由体積やエネルギーといった局所的境界性質が、セグリゲーション行動を決定づける役割を果たすか？
• RQ3 熱的活性化条件下で、1つの多結晶ネットワーク内に複数の複相タイプが共存できるか？
• RQ4 秩序状態からアモルファス状態への構造的遷移はどの程度進行し、それが局所的組成とどのように関連しているか？
• RQ5 異なる結晶粒界において、化学組成および界面構造の分布はどのように変動するか？

主な発見

• 多結晶CuにおけるZrセグリゲーションは顕著に不均一であり、局所的濃度は全体平均よりも最大で1桁高い値を示した。
• 自由体積およびエネルギーが大きい境界ではZrセグリゲーションが強く現れ、構造的性質と化学的性質の直接的な相関関係が示された。
• 高温条件下では、初期に秩序状態であった結晶粒界の大部分がアモルファス状態の複相に遷移した。
• 秩序状態とアモルファス状態の複相が共存しており、それぞれが特徴的かつ非均一な化学組成を示した。
• 中程度の温度下では、顕著な結晶粒成長や構造的再組織化は観察されず、セグリゲーションが微細組織の進化を上回ることが示された。
• 本研究の結果は、多結晶系における界面挙動が、バルク平均モデルが予測するよりもはるかに不均一であることを示している。