[논문 리뷰] Enabling plastic co-deformation of disparate phases in a laser rapid solidified Sr-modified Al-Si eutectic through partial-dislocation-mediated-plasticity in Si

Arkajit Ghosh, Wenqian Wu외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 30.

Advanced Surface Polishing TechniquesEngineering참고 문헌 54인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 레이저 빠른 응고와 스트론티움(Sc) 도핑을 통해 나노층상 실리콘 섬유에서 부분 결함을 매개로 한 연성 변형을 가능하게 하여 레이저 빠른 응고된 스트론티움 도핑된 알루미늄-실리콘 공형계에서의 플라스틱 공변형을 입증한다. 레이저 응고와 스트론티움 도핑의 조합은 실리콘 섬유의 페일러스 장벽과 길이 대비 직경 비율을 감소시켜 균열 형성을 억제하고, 압축 유동 강도 약 840 MPa, 경도 2.9 GPa를 기록하며 최대 26%의 변형까지 안정적인 플라스틱 유동을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Nano-scale eutectics, such as rapid solidified Al-Si, exhibit enhanced yield strength and strain hardening but plasticity is limited by cracking of the hard phase (Si). Mechanisms that may suppress cracking and enable plastic co-deformation of soft and hard phases are key to maximizing plasticity in these high-strength microstructures. Using a combination of laser rapid solidification and chemical (Sr) modification, we have synthesized fully eutectic Al-Si microstructures with heavily twinned Si nano-fibers that exhibit high hardness up to 2.9 GPa, and high compressive flow strength (~840 MPa) with stable plastic flow to ~26% plastic strain. After deformation, the hard Si(Sr) fibers did not exhibit cracks, but a high density of stacking faults were observed in the Si(Sr) fibers suggesting partial dislocation mediated plasticity. Mechanisms for suppression of cracking and activation of partial dislocations in Si deformed at room temperature are discussed in terms of nanoscale fiber geometry with reduced aspect ratio and lowering of the Peierls barrier in chemically-modified, nano-twinned Si fibers.

연구 동기 및 목표

• 소성 변형 능력이 제한된 고강도 알루미늄-실리콘 공형계 복합재료에서 실리콘 상의 취성 파손 문제를 해결하기 위해.
• 나노구조 공형계 미세구조에서 연성 알루미늄과 경성 실리콘 상 간의 플라스틱 공변형을 가능하게 하기 위해.
• 실리콘에서 실온에서 부분 결함 활동이 어떻게 가능해지는지 메커니즘을 규명하기 위해.
• 나노층상화와 스트론티움 도핑이 변형 중 실리콘 섬유에서 균열 형성을 억제하는 데 어떻게 기여하는지 이해하기 위해.
• 레이저 가공된 알루미늄-실리콘 공형계 재료에서 고강도와 높은 연성 동시 구현하기 위해.

제안 방법

• 레이저 빠른 응고를 통해 미세한 나노스케일 실리콘 섬유를 포함한 완전한 공형계 알루미늄-실리콘 미세구조를 제조하였다.
• 실리콘의 전자 구조를 변화시키고 페일러스 장벽을 감소시키기 위해 스트론티움(Sr) 도핑을 적용하였다.
• 변형 후 미세구조의 변화와 결함 구조를 분석하기 위해 투과전자현미경(TEM)을 사용하였다.
• 실리콘 섬유의 쌓음 결함 밀도를 정량화하여 부분 결함 활동을 확인하였다.
• 유동 강도와 파손에 이르는 플라스틱 변형률을 측정하기 위해 압축 기계적 시험을 실시하였다.
• 처리 조건을 조절하여 나노스케일 섬유 기하구조, 특히 길이 대비 직경 비율을 감소시켜 연성 향상을 도모하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노구조 알루미늄-실리콘 공형계에서 연성 알루미늄 상과 경성 실리콘 상 간의 플라스틱 공변형은 어떻게 가능해지는가?
• RQ2 실온에서 실리콘의 연성 변형을 가능하게 하는 데 부분 결함 활동이 수행하는 역할은 무엇인가?
• RQ3 스트론티움 도핑은 나노층상 실리콘에서 페일러스 장벽과 결함 이동성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 변형 중 실리콘 섬유에서 균열 형성을 억제하는 데 기여하는 미세구조적 특징은 무엇인가?
• RQ5 레이저 빠른 응고와 화학적 도핑이 알루미늄-실리콘 공형계에서 강도와 연성을 얼마나 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 스트론티움 도핑된 레이저 빠른 응고 알루미늄-실리콘 공형계는 압축 유동 강도 약 840 MPa를 기록하였다.
• 재료는 실리콘 상에서 균열 전파 없이 최대 26%의 플라스틱 변형까지 안정적인 플라스틱 유동을 보였다.
• 변형 후 실리콘(Sr) 섬유에서 고밀도의 쌓음 결함가 관찰되어 부분 결함 매개 연성 변형이 확인되었다.
• 스트론티움에 의한 나노층상화와 고용상 강화로 인해 재료의 경도는 2.9 GPa에 도달하였다.
• 스트론티움 도핑된 나노층상 실리콘 섬유에서 길이 대비 직경 비율 감소와 페일러스 장벽 저하가 균열 형성을 억제하는 데 핵심이 되었다.
• 레이저 가공과 스트론티움 도핑의 조합이 공형계 알루미늄-실리콘 시스템에서 고강도와 고연성 동시 달성에 기여하였다.