[論文レビュー] The effect of the misfit dislocation on the in-plane shear response of the ferrite/cementite interface

Jaemin Kim, Keonwook Kang+1 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2018

Microstructure and Mechanical Properties of Steels参考文献 30被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、原子論的シミュレーションと拡張原子的インフォームド・フランク＝ビルビー（xAIFB）法を用いて、パルセリック鋼中のフェライト/セメンタイト界面（FCI）の面内せん断応力応答を調査した。ミスフィット不純度欠陥のボルゲルスベクトルの大きさとコア幅が塑性を支配しており、イサチェフおよびニア・バガリャーツキー方位では不純度欠陥を介した変形が生じるが、ニア・ピツシュ＝ペッチではあらゆる方向でせん断破壊が観察された。

ABSTRACT

Although the pearlitic steel is one of the most extensively studied materials, there are still questions unanswered about the interface in the lamellar structure. In particular, to deepen the understanding of the mechanical behavior of pearlitic steel with fine lamellar structure, it is essential to reveal the structure-property relationship of the ferrite/cementite interface (FCI). In this study, we analyzed the in-plane shear deformation of the FCI using atomistic simulation combined with extended atomically informed Frank-Bilby (xAIFB) method and disregistry analyses. In the atomistic simulation, we applied in-plane shear stress along twelve different directions to the ferrite/cementite bilayer for Isaichev (IS), Near Bagaryatsky (Near BA) and Near Pitsch-Petch (Near PP) orientation relationship (OR), respectively. The simulation results reveal that IS and Near BA ORs show dislocation-mediated plasticity except two directions, while Near PP OR shows mode II (in-plane shear) fracture at the FCI along all directions. Based on the xAIFB and disregistry analysis results, we conclude that the in-plane shear behavior of the FCI is governed by the magnitude of Burgers vector and core-width of misfit dislocations.

研究の動機と目的

• フェライト/セメンタイト界面（FCI）が面内せん断応力にさらされた際の力学的応答を理解すること。
• ミスフィット不純度欠陥がFCIにおける変形メカニズムを決定する役割を明確化すること。
• イサチェフ（IS）、ニア・バガリャーツキー（ニア・BA）、ニア・ピツシュ＝ペッチ（ニア・PP）の3つの異なる方位関係におけるせん断挙動を比較すること。
• ミスフィット不純度欠陥の特徴と界面の塑性または破壊の構造-物性関係を確立すること。

提案手法

• 面内せん断応力を12種類の異なる結晶学的方向に印加したフェライト/セメンタイト二重層構造に対して、原子論的シミュレーションを実施した。
• 界面に存在するミスフィット不純度欠陥をモデル化・分析するために、拡張原子的インフォームド・フランク＝ビルビー（xAIFB）法を用いた。
• せん断応力下での原子の変位および界面構造の変化を特徴付けるために、ディスルーチョン解析を適用した。
• IS、ニア・BA、ニア・PPの3つの方位関係について別々にシミュレーションを実施し、それらの力学的応答を比較した。
• ミスフィット不純度欠陥のボルゲルスベクトルの大きさとコア幅を定量的に評価し、観察された変形モードと相関させた。
• 応力-ひずみ応答を分析して、不純度欠陥を介した塑性変形とモードII破壊を区別した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 方位関係（IS、ニア・BA、ニア・PP）がフェライト/セメンタイト界面の面内せん断応答にどのように影響を与えるか。
• RQ2 ボルゲルスベクトルの大きさとコア幅を含むミスフィット不純度欠陥の特徴が、FCIにおける変形メカニズムを決定する役割は何か。
• RQ3 なぜニア・ピツシュ＝ペッチ方位関係では、あらゆるせん断方向に対してモードII破壊が観察されるのか。
• RQ4 面内せん断荷重下で、不純度欠陥を介した塑性変形と界面破壊のどちらが支配的になるか。
• RQ5 ディスルーチョンパターンは、異なる方位関係における観察された力学的挙動とどのように相関するか。

主な発見

• イサチェフ（IS）およびニア・バガリャーツキー（ニア・BA）方位関係では、2つの特定の荷重方向を除き、面内せん断応力下で不純度欠陥を介した塑性変形を示した。
• ニア・ピツシュ＝ペッチ（ニア・PP）方位関係では、印加されるせん断方向に関わらず、フェライト/セメンタイト界面でモードII（面内せん断）破壊が発生した。
• ミスフィット不純度欠陥のボルゲルスベクトルの大きさとコア幅は、界面における塑性と破壊の遷移を支配する重要な要因である。
• ディスルーチョン解析により、方位関係に応じて界面構造の変化が異なることが確認され、高いディスルーチョンは塑性変形に関連していることが示された。
• xAIFB法は、ミスフィット不純度欠陥の構造を効果的にモデル化でき、不純度欠陥コアの特性に基づいて観察された力学的挙動を説明できた。
• 本研究では、ミスフィット不純度欠陥の微細構造と界面力学的応答の直接的な関係を確立し、パルセリック鋼における界面設計の予測フレームワークを提供した。