[논문 리뷰] Atomic-scale simulations of nanocrystalline metals

Jakob Schiøtz, Tejs Vegge외 2명|ArXiv.org|1999. 02. 11.

Microstructure and mechanical properties참고 문헌 3인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 나노크리스탈린 구리에서의 플라스틱 변형을 원자 척도 분자 동역학 시뮬레이션을 통해 조사하며, 변형이 주로 결정립 내부의 디스locations 활동이 아닌 국소적이고 상관없는 결정립 경계에서의 슬라이딩을 통해 발생함을 밝혀낸다. 주요 발견은 역 Hall-Petch 효과로, 결정립 크기를 증가시킬수록 변형항력이 증가하여 연구된 범위를 초과한 중간 크기의 결정립에서 최대 경도를 보임을 시사한다.

ABSTRACT

Nanocrystalline metals, i.e. metals in which the grain size is in the nanometer range, have a range of technologically interesting properties including increased hardness and yield strength. We present atomic-scale simulations of the plastic behavior of nanocrystalline copper. The simulations show that the main deformation mode is sliding in the grain boundaries through a large number of uncorrelated events, where a few atoms (or a few tens of atoms) slide with respect to each other. Little dislocation activity is seen in the grain interiors. The localization of the deformation to the grain boundaries leads to a hardening as the grain size is increased (reverse Hall-Petch effect), implying a maximum in hardness for a grain size above the ones studied here. We investigate the effects of varying temperature, strain rate and porosity, and discuss the relation to recent experiments. At increasing temperatures the material becomes softer in both the plastic and elastic regime. Porosity in the samples result in a softening of the material, this may be a significant effect in many experiments.

연구 동기 및 목표

• 나노크리스탈린 금속에서의 플라스틱 변형 원자 척도 메커니즘을 이해하기 위해.
• 다양한 조건에서 변형에 있어 결정립 경계와 디스locations 활동의 역할을 조사하기 위해.
• 온도, 변형률 속도 및 다공도가 기계적 거동에 미치는 영향을 탐구하기 위해.
• 실험에서 관측된 역 Hall-Petch 효과의 기원을 설명하기 위해.

제안 방법

• 동합된 원자 방법(EAM) 포텐셜을 사용하여 Copper에서 원자 상호작용을 모델링하기 위해 분자 동역학 시뮬레이션을 수행한다.
• 나노미터 범위의 제어된 결정립 크기를 가진 다결정 구리의 축방향 인장 변형을 시뮬레이션한다.
• 변형 메커니즘을 규명하기 위해 원자 이동 및 국소 응력장 분석을 수행한다.
• 온도, 변형률 속도를 변화시키고 다공도를 도입하여 기계적 반응에 미치는 영향을 평가한다.
• 원자 구조의 변화를 추적하여 결정립 경계의 슬라이딩과 디스locations를 통한 플라스틱 변형을 구분한다.
• 후처리를 통해 변형 국지화를 정량화하고 원자 척도 슬라이딩 사건과 같은 임계 사건을 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노크리스탈린 구리에서의 주요 변형 메커니즘은 디스locations 활동인지, 결정립 경계에서의 슬라이딩인지 무엇인가?
• RQ2 결정립 크기가 나노크리스탈린 금속의 항복 강도와 경화 거동에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ3 온도와 변형률 속도는 나노크리스탈린 구리의 기계적 거동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 재료의 미세구조에 존재하는 다공도는 재료를 어느 정도 연약하게 만드는가?
• RQ5 나노크리스탈린 금속에서 관측된 역 Hall-Petch 효과는 무엇으로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 나노크리스탈린 구리에서의 변형은 주로 결정립 내부의 디스locations 활동이 아닌, 결정립 경계에서의 상관없는 원자 척도 슬라이딩 사건에 의해 지배된다.
• 결정립 내부에서의 상당한 디스locations 활동이 관찰되지 않음으로써, 결정립 경계를 통한 플라스틱 변형의 지배적 역할이 뒷받침된다.
• 역 Hall-Petch 효과가 관측되었으며, 연구 범위를 초과해 결정립 크기를 증가시킬수록 경도가 증가함을 보여, 중간 크기의 결정립에서 최대 경도를 가짐을 시사한다.
• 온도 상승은 모든 영역에서 탄성 및 플라스틱 저항을 감소시켜 재료를 연약하게 만든다.
• 다공도는 재료의 연성 증가를 초래하며, 일부 경우 실험과 시뮬레이션 간의 괴리 원인을 설명할 수 있다.
• 시뮬레이션은 최근 실험에서 관측된 정성적 경 tend 률을 재현하며, 특히 결정립 경계에 의해 제어되는 변형과 크기 의존성 강화에 대해 일치하는 결과를 보였다.