[논문 리뷰] Effect of a Micro-scale Dislocation Pileup on the Atomic-Scale Multi-variant Phase Transformation and Twinning

Yipeng Peng, Rigelesaiyin Ji외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 06.

Microstructure and mechanical properties인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 원자구조화된 인터페이스에서 미세구조적 변형률의 축적(디스locations pileup)이 원자 척도의 상전이(PT)와 트윈 형성에 어떻게 영향을 주는지 분석하기 위해 동시 원자-연속체(CAC) 시뮬레이션을 사용한다. 연구 결과, 디스locations 축적이 상전이 기초 응력의 5.5배를 감소시켜 상전이 유도를 촉진하며, 직접적인 정사각형에서 육각형으로의 상전이 및 그 반전을 유도함으로써 열역학적 구동력이 0인 트윈을 형성함을 보여주며, 다중 척도의 연성 및 상전이 상호작용을 통합적으로 설명하는 프레임워크를 제시한다.

ABSTRACT

In this paper, we perform concurrent atomistic-continuum (CAC) simulations to (i) characterize the internal stress induced by the microscale dislocation pileup at an atomically structured interface; (ii) decompose this stress into two parts, one of which is from the dislocations behind the pileup tip according to the Eshelby model and the other is from the dislocations at the pileup tip according to a super-dislocation model; and (iii) assess how such internal stresses contribute to the atomic-scale phase transformations (PTs), reverse PTs, and twinning. The main novelty of this work is to unify the atomistic description of the interface and the coarse-grained (CG) description of the lagging dislocations away from the interface within one single framework. Our major findings are: (a) the interface dynamically responds to a pileup by forming steps/ledges, the height of which is proportional to the number of dislocations arriving at the interface; (b) when the pre-sheared sample is compressed, a direct square-to-hexagonal PT occurs ahead of the pileup tip and eventually grows into a wedge shape; (c) upon a further increase of the loading, part of the newly formed hexagonal phase transforms back to the square phase. The square product phase resulting from this reverse PT forms a twin with respect to the initial square phase. All phase boundaries (PBs) and twin boundaries (TBs) are stationary and correspond to zero thermodynamic Eshelby driving forces; and (d) the stress intensity induced by a pileup consisting of 16 dislocations reduces the stress required for initiating a PT by a factor of 5.5, comparing with that in the sample containing no dislocations. This work is the first characterization of the behavior of PTs/twinning resulting from the reaction between a microscale dislocation slip and an atomically structured interface.

연구 동기 및 목표

• 구조화된 인터페이스에서 미세구조적 디스locations 축적이 원자 척도의 상전이 및 트윈 형성에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 하이브리드 원자-연속체 모델을 사용하여 디스locations 축적에 기인한 내부 응력의 Eshelby 및 슈퍼-디스locations 기여도를 분해하기 위해.
• 디스locations 축적이 인터페이스에 미치는 동적 반응, 즉 스텝/레지 형성 및 응력 완화 메커니즘을 특성화하기 위해.
• 디스locations 유도 내부 응력으로 인한 상전이의 임계 응력 감소를 정량화하기 위해.
• 모든 상 경계 및 트윈 경계에서 Eshelby 구동력이 0임을 계산하여 열역학적 평형 상태를 검증하기 위해.

제안 방법

• 인터페이스 근처에서는 원자 척도 해상도를 확보하고, 그 외부에서는 거시적 디스locations 동역학을 고려하기 위해 동시 원자-연속체(CAC) 시뮬레이션을 적용한다.
• 디스locations 축적 끝부분 뒤의 디스locations가 생성하는 응력장을 Eshelby 모델을 사용해 분해한다.
• 디스locations 축적 끝부분의 디스locations가 기여하는 응력 기여도를 분리하기 위해 슈퍼-디스locations 모델을 사용한다.
• 사전에 가공된 시편에 단순 압축 하중을 가하여 상전이 및 트윈 형성을 유도하기 위해 단순 압축 하중을 시뮬레이션한다.
• 모든 상 경계 및 트윈 경계에서 열역학적 Eshelby 구동력을 계산하여 평형 상태를 확인한다.
• 디스locations 축적의 디스locations 수를 변화시켜 응력 강도 및 전이 임계값에 미치는 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 미세구조적 디스locations 축적이 구조화된 인터페이스에서 원자 척도의 상전이 및 트윈 형성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 축적 끝부분 뒤의 디스locations와 끝부분에 위치한 디스locations가 총 내부 응력장에 기여하는 비율은 각각 얼마인가?
• RQ3 디스locations 축적 내 디스locations 수가 증가함에 따라 응력 강도 계수가 어떻게 변화하는가? 고밀도에서趋세가 포화되는가?
• RQ4 디스locations 축적이 상전이를 유도하기 위한 임계 응력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 신규로 형성된 상 경계 및 트윈 경계는 Eshelby 구동력이 0임을 통해 열역학적 평형 상태에 있는가?

주요 결과

• 인터페이스는 도착하는 디스locations 수에 비례하여 높이가 결정되는 스텝 또는 레지가 동적으로 형성된다.
• 나노스케일의 디스locations 축적에서는 응력 강도 계수가 디스locations 수에 따라 선형적으로 증가하지만, 마이크로스케일의 디스locations 축적에서 수십 개의 디스locations가 포함될 경우 포화 상태에 도달한다.
• 압축 하중 작용 시, 축적 끝부분 앞에서 직접적인 정사각형에서 육각형으로의 상전이가 발생하고, 이는 쌍봉형의 구조로 진화하며, 두 개의 육각형 변형이 상호 간에 트윈 관계를 형성한다.
• 더 높은 하중이 작용함에 따라 육각형 상에서 정사각형 상으로의 역상전이가 발생하며, 그 결과로 생성된 정사각형 상은 원래의 정사각형 격자와 트윈 관계를 형성한다.
• 모든 상 경계 및 트윈 경계는 정적 상태에 있으며, 열역학적 Eshelby 구동력이 0임을 보여주며, 이는 열역학적 평형 상태임을 확인한다.
• 16개의 디스locations로 구성된 디스locations 축적이 결함이 없는 시편에 비해 상전이의 임계 압축 응력을 5.5배 감소시킨다.