[논문 리뷰] Atomistic insights into the inhomogeneous nature of solute segregation to grain boundaries in magnesium

Risheng Pei, Zhuocheng Xie외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 08.

Magnesium Alloys: Properties and Applications인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 3D 원자 프로브 톰그래피와 원자 수준 시뮬레이션을 결합하여, Mg-1.0 wt.%Nd-1.0 wt.%Mn 합금에서 결정립 경계(GBs)로의 용질 속성 분포가 매우 비균일하다는 것을 밝혀냈다. 이는 다양한 GB 정렬 방향과 개별 GB 평면 내에서 Nd 농도가 2–5 at.%로 변동하기 때문이다. 이러한 비균일성은 국소적 원자 재배열과 과잉 자유 체적의 영향으로 발생하며, 이는 단위 점의 분포 에너지를 조절하고, 평균 GB 특성에 기반한 전통적 모델에 도전한다.

ABSTRACT

In magnesium alloys with multiple substitutional elements, solute segregation at grain boundaries (GBs) has a strong impact on many important material characteristics, such as GB energy and mobility, and therefore, texture. Although it is well established that GB segregation is inhomogeneous, the variation of GB solute composition for random boundaries is still not understood. In the current study, atomic-scale experimental and simulation techniques were used to investigate the compositional inhomogeneity of six different GBs. Three-dimensional atom probe tomography results revealed that GB solute concentration of Nd in Mg varies between 2 to 5 at.%. This variation was not only seen for different GB orientations but also within the GB plane. Correlated atomistic simulations suggest that the inhomogeneous segregation behavior observed experimentally stems from local atomic rearrangements within the GBs and introduce the notion of potential excess free volume in the context of improving the prediction of per-site segregation energies.

연구 동기 및 목표

• 다양한 용질을 포함한 Mg 합금에서 결정립 경계에서 비균일한 용질 분포가 발생하는 원인을 이해하기 위해.
• 국소적 원자 구조와 자유 체적의 영향이 무작위 결정립 경계에서의 단위 점 분포 에너지에 어떻게 작용하는지 조사하기 위해.
• 평균 GB 특성 외에 국소적 원자 환경의 영향을 반영함으로써 용질 분포 예측 모델을 향상시키기 위해.
• 실험적 APT 데이터와 원자 수준 시뮬레이션을 연계하여 구조적 이질성이 분포 행동에 미치는 영향을 검증하기 위해.

제안 방법

• 30 K에서 레이저 펄스를 사용한 3D 원자 프로브 톰그래피(3D APT)를 통해 외압 가공된 Mg-1.0 wt.%Nd-1.0 wt.%Mn 합금의 6개의 무작위 결정립 경계에서 용질 분포를 정량화하였다.
• 결정학적 정렬 맵핑을 수행하기 위해 TKD(전이 키쿠치 회절)를 활용한 FIB 밀링을 통해 정밀한 APT 샘플 제작을 수행하였다.
• LAMMPS를 사용한 원자 수준 시뮬레이션에서 Mg-Nd에 대해 MEAM 포텐셜을 적용하여 GB 구조를 모델링하고 단위 점 분포 에너지를 계산하였다.
• 고정 경계 조건과 진공 층을 포함한 실린더형 시뮬레이션 세포를 사용하여 GB 영향을 분리하였으며, 수축성 응력과 Voronoi 체적 분석을 통해 국소적 변형과 자유 체적을 평가하였다.
• Nd가 GB 위치에 치환된 후 원자의 이완을 정량화하기 위해 단위 점 평균 제곱 이동(MSD)을 사용하였다.
• 부피 불일치와 기계적 강도를 기반으로 한 선형 탄성 모델을 적용하여 분포 에너지를 예측하고, 시뮬레이션 결과와 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Mg 합금에서 다양한 결정립 경계 정렬 방향과 개별 GB 평면 내에서 Nd 용질 원자가 비균일하게 분포하는 원인은 무엇인가?
• RQ2 국소적 원자 재배열과 과잉 자유 체적이 무작위 결정립 경계에서의 단위 점 분포 에너지에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 부피 불일치 기반 선형 탄성 모델이 복잡하고 비대칭적인 GB에서 실제 분포 에너지를 얼마나 정확히 예측할 수 있는가?
• RQ4 원자 수준 시뮬레이션이 Mg-Nd-Mn 합금에서 다양한 GB에서 관측된 농도 변화(2–5 at.%)를 재현할 수 있는가?
• RQ5 수축성 응력과 Voronoi 체적을 포함한 국소적 원자 환경이 개별 GB 위치의 분포 에너지와 어떻게 연관되는가?

주요 결과

• APT 결과에 따르면, Mg에서 결정립 경계의 Nd 농도는 2에서 5 at.% 사이로 변동하며, 다양한 GB 정렬 방향과 개별 GB 평면 내에서 뚜렷한 변동이 관찰되었다.
• 원자 수준 시뮬레이션은 Nd 치환이 뒤이어 국소적 원자 재배열이 발생하여 비균일한 응력장이 형성됨을 밝혀냈으며, 국소적으로 수축성 응력이 0.2 GPa를 초과하는 영역가 존재함을 확인하였다.
• 시뮬레이션된 분포 에너지와 국소적 수축성 응력 사이에 강한 상관관계가 관찰되어, 응력 이질성이 비균일한 분포를 이끄는 주요 원인임을 시사한다.
• 부피 불일치 기반 선형 탄성 모델은 분포 에너지의 변동을 과소평가하며, 이는 과잉 자유 체적과 국소적 원자 이완이 중요하지만 기존 모델에 반영되지 않은 요소임을 시사한다.
• 단위 점 분포 에너지는 GB 평면 전반에서 크게 변동하며, 일부 위치에서는 에너지 차이가 최대 1.5 eV에 이르는 것으로 나타났다. 이는 관측된 조성의 이질성을 설명할 수 있다.
• 본 연구는 잠재적 과잉 자유 체적을 단위 점 분포 에너지 예측의 핵심 요소로 도입하여, 평균 GB 특성 외의 국소적 원자 환경 영향을 반영한 원자 수준 모델 향상의 길을 제시한다.