[논문 리뷰] First-principles study of the Mn, Al and C distribution and their effect on the stacking fault energies in austenite

Н. И. Медведева, M. S. Park외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 08. 01.

Aluminum Alloy Microstructure Properties인용 수 6

한 줄 요약

이 첫 번째 원리 연구는 Fe-Mn-Al-C 옐로이드에서 Mn, Al, 및 C의 비균일 분포와 그 면진도 에너지(SFE)에 미치는 영향을 조사한다. 밀도함수이론(DFT) 계산을 통해 SFE는 평균 기질 조성보다는 면진도 근처 국소적 불순물 농도에 의해 결정되며, Mn은 약간의 분포를 보이며 면진도로의 집중을 보이고, C는 면진도를 피하는 경향이 있으며, Al과 C는 모두 SFE를 증가시키지만, Mn-C 쌍 형성과 D03형 Al 순서 구조는 이 효과를 억제함을 보여준다.

ABSTRACT

We present ab-initio simulation of manganese, aluminum and carbon impurities in austenite and demonstrate their inhomogeneous distribution, which involves the repulsion of interstitial carbon atoms, the formation of bonded Mn-C pairs as well as a short range Al-ordering of D03-type. The mechanisms for the formation of stacking faults in Fe-Mn-Al-C are considered, and we find that the impurities have influence on the stacking fault energies only when located within a few interatomic layers near stacking fault. As a result, the stacking fault energy does not depend on the average concentration of impurities in matrix, but is highly sensitive to the concentration of the impurities in the vicinity of stacking fault defect. We predict that manganese shows a slight tendency for segregation near SF, while carbon prefers to be located far from the stacking fault region. Both aluminum and carbon impurities linearly increase the SFE, while the formation of Mn-C pairs and short range Al-ordering restrain the SFE growth. Short range order in Fe-Al-C alloys strongly affects the energy barrier for nucleation of dislocations and may lead to softening phenomenon.

연구 동기 및 목표

• Fe 기반 옐로이드에서 Mn, Al, 및 C 불순물의 열역학적 및 구조적 거동을 이해하기 위해.
• 이러한 원소들의 비균일 분포, 특히 국소 순서 및 결합 경향을 조사하기 위해.
• 면진도 근처의 국소 불순물 구조가 면진도 에너지(SFE)에 미치는 영향을 규명하기 위해.
• Mn-C 쌍과 D03형 Al 순서가 SFE 및 비틀림 결함 핵형 에너지 장벽을 조절하는 데서의 역할을 명확히 하기 위해.
• 고Mn, 고Al, 고C 함유 옐로이드 강재에서 평균 조성과 관측된 SFE 간의 괴리 현상을 해결하기 위해.

제안 방법

• Fe-Mn-Al-C 체계에서 전자 구조 계산을 위한 밀도함수이론(DFT)을 사용하여 첫 번째 원리 계산을 수행하였다.
• 고체 용액과 국소 순서를 모의하기 위해 Mn, Al, 및 C 원자들의 분포를 제어한 다양한 초세포를 시뮬레이션하였다.
• 에너지 최소화 및 쌍 상관 함수를 이용하여 Mn-C 쌍 형성과 D03형 국소 Al 순서의 형성을 분석하였다.
• 슬립 모델을 사용하여 면진도 평면 주변의 다양한 국소 구조에 대해 면진도 에너지(SFE)를 계산하였다.
• 특정 국소 배열이 있는 경우와 없는 경우의 SFE 값을 비교하여 불순물의 SFE에 미치는 영향을 정량화하였다.
• 비틀림 결함 핵형 에너지 장벽의 경향성을 평가하기 위해 열역학적 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Fe-Mn-Al-C 옐로이드에서 Mn, Al, 및 C는 어떻게 분포하며, 그 비균일 분포를 이끄는 원인은 무엇인가?
• RQ2 Mn-C 쌍 형성과 D03형 Al 순서는 면진도 에너지(SFE)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 기질 내 불순물의 평균 농도가 SFE를 결정하는가, 아니면 면진도 근처의 국소 농도가 중요한가?
• RQ4 불순물은 면진도에서 비틀림 결함 핵형의 에너지 장벽에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 왜 Fe-Mn-Al-C 강재에서 SFE는 평균 조성과 선형적으로 관련되지 않는가?

주요 결과

• 탄소 원자는 면진도 영역을 강하게 회피하며, 면진도 평면에서 멀리 떨어진 곳에 머무르는 경향이 있다.
• 망간은 약간의 경향으로 면진도 쪽으로 분포하는 경향이 있으나, 강한 집중은 아니다.
• 알루미늄과 탄소는 각각 SFE를 증가시키며, 이는 면진도 근처의 국소 농도에 선형적으로 의존한다.
• Mn-C 쌍 형성과 D03형 국소 Al 순서가 알루미늄과 탄소에 의해 유도되는 SFE 증가를 크게 억제한다.
• 면진도 에너지는 기질 내 평균 불순물 농도가 아니라, 면진도 주변 몇 개 원자층 내의 국소 농도에 의해 결정된다.
• Fe-Al-C 체계에서의 국소 순서는 비틀림 결함 핵형의 에너지 장벽을 높이며, 이는 재료의 연성 증가 효과를 유도할 수 있다.