[논문 리뷰] Coupled motion of asymmetrical tilt grain boundaries: molecular dynamics and phase field crystal simulations

Zachary Trautt, Ari Adland외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 06. 15.

Microstructure and mechanical properties참고 문헌 39인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 분자역학(MD) 및 페지필드크리스탈(PFC) 시뮬레이션을 이용해 비대칭 기울기 경계의 응력에 의한 운동을 조사하며, 비틀림 각도와 기울기 각도에 따라 비정상적인 의존성을 보이는 전단 응력에 대한 결합이 광범위하게 존재함을 밝혀냈다. 주요 발견은 전이 영역 근처에서 결합 인자 β의 비연속적인 부호 변화로, 이는 발산하는 β 값과 슬라이딩 유사 행동을 유도하며, 결정학적 대칭성과 불량운동에 의해 지배되는 서로 다른 결합 모드가 존재한다.

ABSTRACT

Previous simulation and experimental studies have shown that some grain boundaries (GBs) can couple to applied shear stresses and be moved by them, producing shear deformation of the lattice traversed by their motion. While this coupling effect has been well confirmed for symmetrical tilt GBs, little is known about the coupling ability of asymmetrical boundaries. In this work we apply a combination of molecular dynamics and phase field crystal simulations to investigate stress-driven motion of asymmetrical GBs between cubic crystals over the entire range of inclination angles. Our main findings are that the coupling effect exists for most of the asymmetrical GBs and that the coupling factor exhibits a non-trivial dependence on both the misorientation and inclination angles. This dependence is characterized by a discontinuous change of sign of the coupling factor, which reflects a transition between two different coupling modes over a narrow range of angles. Importantly, the magnitude of the coupling factor becomes large or divergent within this transition region, thereby giving rise to a sliding-like behavior. Our results are interpreted in terms of a diagram presenting the domains of existence of the two coupling modes and the transition region between them in the plane of misorientation and inclination angles. The simulations reveal some of the dislocation mechanisms responsible for the motion of asymmetrical tilt GBs. The results of this study compare favorably with existing experimental measurements and provide a theoretical ground for the design of future experiments.

연구 동기 및 목표

• 대칭 경계에서의 결합이 알려져 있음에도 불구하고 아직 잘 이해되지 않은 비대칭 기울기 경계의 외부 전단 응력에 대한 결합 거동을 조사하기 위해.
• 모든 경계 구성에서의 기울기 각도 θ와 기울기 각도 φ에 따른 결합 인자 β의 의존성을 규명하기 위해.
• 특히 서로 교차하는 슬립 평면에 존재하는 불량이 운동을 막을 수 있는 상황에서 비대칭 경계에서의 결합 운동을 가능하게 하는 주요 불량 메커니즘을 규명하기 위해.
• MD 및 PFC 시뮬레이션 결과를 비교하여 결합 거동 예측의 일관성을 평가하고, 실험 데이터와의 일치성을 검증하기 위해.
• 다음 실험 설계를 위한 이론적 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• FCC Cu와 Al에서 분자역학(MD) 시뮬레이션을 수행하여 다양한 온도와 적용된 전단 응력 조건에서 원자 척도의 응력에 의한 경계 운동 메커니즘을 연구하였다.
• 장시간 척도에서의 경계 역학을 모델링하기 위해 페지필드크리스탈(PFC) 시뮬레이션을 사용하였으며, 불량 기울기와 같은 확산 과정을 포함하였다.
• 결합 인자 β = v|| / v_n 을 계산하여 접선 방향의 경계 이동 속도와 법선 방향의 경계 이동 속도의 비율을 통해 전단 결합 정도를 정량화하였다.
• 비대칭 기울기 경계의 전체 매개변수 공간에서 β의 의존성을 맵핑하기 위해 기울기 각도 θ와 기울기 각도 φ를 체계적으로 변화시켰다.
• MD에서의 불량 구조와 반응을 분석하여, 서로 교차하는 슬립 평면이 존재할 경우에도 운동을 가능하게 하는 불량 반응 및 피하기 메커니즘을 규명하였다.
• MD와 PFC 결과를 비교하여 β의 부호, 크기, 각도 의존성의 일관성을 평가하였으며, 특히 전이 영역 근처에서의 특성을 중심으로 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비대칭 기울기 경계에서 기울기 각도와 기울기 각도의 전 범위에서 결합 효과가 유지되는가?
• RQ2 결합 인자 β는 기울기 각도 φ와 기울기 각도 θ에 어떻게 의존하며, 그 비정상적인 각도 의존성의 원인은 무엇인가?
• RQ3 특히 서로 교차하는 평면에 존재하는 불량이 서로를 막을 수 있는 상황에서 비대칭 경계에서의 결합 운동을 가능하게 하는 주요 불량 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 왜 β는 양수에서 음수로의 비연속적인 부호 변화를 보이며, 이 전이 영역 근처에서 발산하는 β 값이 발생하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 MD 및 PFC 시뮬레이션은 β에 대해 어느 정도 일관된 예측을 하는가? 실험 측정치와의 비교는 어떻게 이루어지는가?

주요 결과

• 대부분의 비대칭 기울기 경계에서 결합 효과가 존재하며, β 값은 기울기 각도와 기울기 각도에 따라 크게 변한다.
• 기울기 각도의 좁은 범위에서 β의 비연속적인 부호 변화가 발생하며, 이는 두 가지 서로 다른 결합 모드 간의 전이를 나타낸다.
• 전이 영역 근처에서 β의 크기가 커지거나 발산하여 경계가 슬라이딩 유사 행동을 보인다.
• 양수 및 음수 β 영역은 θ–φ 매개변수 공간에서 결정학적 대칭성과 페일러스 장벽의 차이에 따라 일치하는 형태의 전이 선으로 둘러싸여 있다.
• MD 시뮬레이션은 서로 교차하는 슬립 평면이 존재할 경우에도 불량 반응 및 피하기 메커니즘이 운동 가능성을 보장함을 밝혀냈으며, PFC 시뮬레이션은 불량 기울기가 집단적 운동을 촉진하고 잠금을 방지함을 보여주었다.
• MD 및 PFC 방법의 시뮬레이션 결과는 β의 각도 의존성에 대해 놀랄 정도로 유사한 정성적·정량적 경향을 보이며, 다양한 모델링 접근법 간의 결과가 상호 검증됨을 입증하였다.