[論文レビュー] Solute Induced Defect Phase Transformations in Mg Grain Boundaries

P. Mathews, S. Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2023

Microstructure and mechanical properties被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、密度汎関数理論（DFT）と欠陥相図を用いたab initioシミュレーションを通じて、Mgの粒界における溶質誘発欠陥相転移を調査した。その結果、圧縮応力または高温条件下でGaのセグレゲーションがΣ7 (12̄30) [0001] 粒界におけるA型構造を安定化することが明らかになった。主な発見は、応力／温度に起因する相転移と、化学ポテンシャルに起因する相転移という2つの異なる欠陥相転移が存在することであり、Gaは低濃度ではサイトa1に優先して配置され、高濃度ではサイトa3に移行する。また、核種エネルギー障壁を克服した後にMg5Ga2析出相の形成が観察された。

ABSTRACT

The study of defect phases is important for designing nanostructured metals and alloys. Grain boundaries (GBs) form one class of defects that directly influence materials properties, such as deformability and strength. At the same time, alloying can introduce GB phase transformations and can therewith alter mechanical performance. In this work, the defect phases of a $Σ$7 $(12\bar{3}0)$ [0001] 21.78$^\circ$ symmetric tilt GB in hcp Mg are investigated. Ab-initio simulations as a function of stress and temperature (using quasi-harmonic approximation) are performed, and different types of phase transformations are revealed. To this end, the influence of the chemical degree of freedom on the defect phases is studied for the example of Ga addition, using an efficient screening approach that combines empirical potentials and accurate ab-initio calculations. By exploiting the concept of defect phase diagrams, a phase transformation from the T to the A structural type and as well as a systematic transition of the segregation site preference is revealed. The results qualitatively agree well with experimental observations from scanning transition electron microscopy. The underlying physical mechanisms have an impact on grain-boundary engineering in metallic alloys.

研究の動機と目的

• 溶質添加（Ga）がMgの粒界における欠陥相転移をどのように誘発するかを理解すること。
• Σ7 Mg粒界におけるGaの欠陥相図（DPD）を構築し、構造的およびセグレゲーション的転移を捉えること。
• 応力、温度、化学ポテンシャルの変化に伴う相の安定性および溶質サイト選択の熱力学的・動力学的駆動要因を特定すること。
• 計算予測と走査型透過電子顕微鏡（STEM）からの実験的観察を橋渡しすること。

提案手法

• 準調和近似を用いて、応力および温度の関数として欠陥相の安定性を計算するため、ab initio密度汎関数理論（DFT）計算が実施された。
• 2～6個のGa原子を粒界に配置するための低エネルギー構造を事前に選別するため、経験的Mg-Al MEAMポテンシャルとDFTを組み合わせた効率的なスクリーニングプロトコルが採用された。
• Gaの化学ポテンシャルを変化させることで欠陥相図（DPD）を構築し、構造的およびセグレゲーション的転移のマッピングを可能にした。
• 複数の構造に対してセグレゲーションエネルギーを計算し、安定な溶質サイト（a1, a3）を特定するとともに、溶質濃度に応じたサイト選択の進化を追跡した。
• Mg5Ga2析出相の形成に伴う核種エネルギー障壁を評価し、平衡状態の動的可及性を評価した。
• 予測された欠陥構造とSTEM観察結果を比較することで、実験的検証が実施された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 圧縮応力または450 K以上の高温が、Σ7 Mg粒界におけるT型構造からA型構造への構造的転移をどのように誘発するか？
• RQ2 GaのセグレゲーションがA型およびT型粒界構造の安定性に与える影響は何か。また、Ga濃度の上昇に伴い、そのサイト選択の進化はどのように変化するか？
• RQ3 化学ポテンシャルが、Gaのセグレゲーションがサイトa1からサイトa3に移行する第二種相転移を駆動する役割を果たすメカニズムは何か？
• RQ4 核種エネルギー障壁が、Ga過剰条件下におけるMg5Ga2析出相の形成に与える影響は何か。また、この相はいつから熱力学的に利用可能となるか？
• RQ5 予測された欠陥相転移および溶質サイト選択が、実験的STEM観察とどの程度一致しているか？

主な発見

• 0 Kにおける基底状態はT型構造であるが、圧縮応力または450 K以上の温度でA型構造が安定化され、2つの一次相転移が示された。
• GaのセグレゲーションがA型構造を安定化させ、低濃度溶質条件下で1個のGa原子がサイトa1に配置された構造が最もエネルギー的に安定である。
• Gaの化学ポテンシャルが上昇するに従い、Gaのセグレゲーション選択がサイトa1からサイトa3へ系統的にシフトする。これは化学誘発欠陥相転移を示している。
• 高Ga濃度条件下では、4個のGa原子がサイトa3, b, e, e’に安定配置する状態に移行し、特に溶質過剰条件下でサイトa3がエネルギー的に有利になる。
• Mg5Ga2析出相の形成は熱力学的に有利であるが、0.606 eVという高い核種エネルギー障壁により動的制限を受けており、析出が進行するにはこの障壁を克服する必要がある。
• 予測された欠陥相挙動および溶質サイト選択は、Gaで修飾された粒界の実験的STEM観察と強い定性的一致を示した。