[논문 리뷰] Deformation twin nucleation and twin variant selection in single crystal magnesium as a function of strain rate

Kavan Hazeli, Vignesh Kannan외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 30.

Magnesium Alloys: Properties and Applications참고 문헌 40인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 단일결정 마그네슘에서 변형률 속도에 의존하는 변형 병결형성의 특성을 조사하며, 높은 변형률 속도에서 다중 병결형 변종의 형성이 촉진되고, 저-Schmid 인자 및 이중 확장 병결형이 포함된 병결형의 핵형이 유도되며, 주 병결형 경계에서 제2세대 병결형이 유도됨을 밝혀냈다. 병결형 면적/체적 분율 변화율은 세대 간 유사하게 유지되며, 이는 높은 변형률 속도에서 두꺼워짐에서 연속적인 핵형으로의 전이를 시사한다.

ABSTRACT

Deformation twinning is an important deformation mechanism in a variety of materials, including metals and ceramics. This deformation mechanism is particularly important in low-symmetry hexagonal close-packed (hcp) metals such as Magnesium (Mg), Zirconium (Zr) and Titanium (Ti). Extension twins in Mg, Zr and Ti can accommodate considerable plastic deformation as they grow. Thus, the rate and the mode of twinning greatly influences the mechanical behavior including strength and ductility. Herein, we study deformation twinning in terms of nucleation, twinning mode and variant selection as a function of strain rate in Mg single crystal (considered as a model material). We show that twin variant selection is sensitive to the loading rate, with more twin variants nucleating at the dynamic strain rates. Low Schmid factor twin variants (one of them being a double extension twin variant) were also found at the dynamic strain rates. Further at high strain rates, the first twins generated do not thicken beyond a critical width. Instead, plasticity proceeds with nucleation of second generation twins from the primary twin boundaries. The rates of area/volume fraction evolution of both generations of twins are found to be similar.

연구 동기 및 목표

• 변형률 속도가 단일결정 마그네슘(체적 중심 구조 금속의 모델)에서 변형 병결형에 미치는 영향을 이해하기 위해
• 특히 동적(고속) 조건에서 변형 병결형 변종 선택 메커니즘을 규명하기 위해
• 병결형 면적/체적 분율의 진화 및 주 병결형에서 제2세대 병결형 핵형으로의 전이를 조사하기 위해
• Schmid 인자가 변종 선택 및 고속 변형률 조건에서 열악한 병결형의 출현에 미치는 역할을 규명하기 위해

제안 방법

• 변형률 속도를 제어하여 단일결정 마그네슘에서 변형 병결형 거동을 관찰하기 위한 실험을 수행하였다.
• 병결형 변종 및 그들의 정렬 관계를 확인하기 위해 전자 반사 회절(EBSD) 또는 유사한 미세구조 분석을 사용하였다.
• 변형률 및 변형률 속도에 따른 병결형 면적/체적 분율의 변화를 측정하였다.
• 제2세대 병결형의 핵형 위치를 분석하며 주 병결형 경계를 중심으로 집중적으로 분석하였다.
• 다양한 병결형 변종의 Schmid 인자를 평가하여 관측된 핵형 확률과의 상관관계를 분석하였다.
• 주 병결형과 제2세대 병결형의 성장 동역학을 비교하여 핵형 속도의 유사성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 변형률 속도는 단일결정 마그네슘에서 변형 병결형의 핵형에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 Schmid 인자는 고속 변형률 조건에서 어떤 병결형 변종이 핵형되는지를 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 고속 하중 조건에서 제2세대 병결형의 핵형이 주 병결형 경계에서 선호적으로 발생하는가?
• RQ4 주 병결형과 제2세대 병결형 간 병결형 면적/체적 분율 변화율은 어떻게 비교되는가?
• RQ5 왜 고속 변형률 조건에서 주 병결형은 임계 두께를 초과해 두꺼워지지 않는가?

주요 결과

• 고속 변형률 조건에서 저-Schmid 인자 및 이중 확장 병결형을 포함한 다수의 병결형 변종이 저속 조건보다 더 쉽게 핵형된다.
• 고속 변형률 조건에서 주 병결형은 임계 두께를 초과해 두꺼워지지 않으며, 이는 두꺼워짐에서 제2세대 병결형 핵형으로의 전이를 시사한다.
• 제2세대 병결형은 주 병결형 경계에서 선호적으로 핵형되며, 이는 변형 국소화 메커니즘을 시사한다.
• 주 병결형과 제2세대 병결형의 면적/체적 분율 변화율은 유사하여 유사한 핵형 동역학을 나타낸다.
• 병결형 변종 선택은 변형률 속도에 따라 달라지며, 동적 하중 조건에서 변종의 다양성이 증가한다.
• 기계적 거동은 고속 변형률 조건에서 주 병결형 두꺼워짐에서 제2세대 병결형의 연속적 핵형으로 전이되며, 이는 연성 거동 메커니즘의 변화를 초래한다.