[논문 리뷰] Multiscale modeling of plastic deformation of molybdenum and tungsten: I. Atomistic studies of the core structure and glide of 1/2 screw dislocations at 0 K

Roman Gröger, Aimee Gotway Bailey외 1명|arXiv (Cornell University)|2008. 07. 16.

Microstructure and mechanical properties참고 문헌 3인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 0 K에서 몰리브데넘과 wolfram에서 1/2〈111〉 나사 비틀림 결함 핵 구조와 유풍을 모의하기 위해 결합 차수 포텐셜을 사용한다. 이는 유풍 방향과 수직인 전단 응력이 결함 핵 구조를 크게 변화시켜 비-슈마이드 거동과 덜 응력이 가해진 {110} 평면에서의 이례적 유풍을 유도함을 드러낸다—특히 이질성-반대이질성 비대칭이 관찰되는 몰리브데넘에서 두드러지게 나타난다. 이러한 발견들은 체심입방금속 금속에 대한 물리적 기반의 유한 기준을 마련하는 데 기여한다.

ABSTRACT

Owing to their non-planar cores 1/2<111> screw dislocations govern the plastic deformation of BCC metals. Atomistic studies of the glide of these dislocations at 0 K have been performed using Bond Order Potentials for molybdenum and tungsten that account for the mixed metallic and covalent bonding in transition metals. When applying pure shear stress in the slip direction it displays significant twinning-antitwinning asymmetry for molybdenum but not for tungsten. However, for tensile/compressive loading the Schmid law breaks down in both metals, principally due to the effect of shear stresses perpendicular to the slip direction that alter the dislocation core. Recognition of this phenomenon forms a basis for the development of physically based yield criteria that capture the breakdown of the Schmid law in BCC metals. Moreover, dislocation glide may be preferred on {110} planes other than the most highly stressed one, which is reminiscent of the anomalous slip observed in many BCC metals.

연구 동기 및 목표

• 정확한 원자 간 포텐셜을 사용하여 0 K에서 몰리브데넘과 텅스텐의 1/2〈111〉 나사 비틀림 결함의 핵 구조와 유풍 거동을 조사하기.
• 특히 다축 응력 하에서 쇼마이드 법칙이 붕괴되는 상황에서 체심입방금속 금속에서 비-슈마이드 거동의 기원을 이해하기.
• 유풍 방향과 수직인 전단 응력이 결함 핵 구성에 미치는 영향과 덜 응력이 가해진 {110} 평면에서의 이례적 유풍을 가능하게 하는 메커니즘을 탐구하기.
• 연속체 소성성 모델링에 적용 가능한 물리적 기반의 유한 기준 개발을 위한 원자 척도 증거를 제공하기.

제안 방법

• 몰리브데넘과 텅스텐 같은 전이 금속에서 혼합된 금속성 및 공유 결합을 정확히 기술하는 결합 차수 포텐셜(BOPs)을 사용하였다.
• 0 K에서 순수 전단 및 인장/압축 하중 조건 하에서 대규모 원자 척도 시뮬레이션을 수행하였다.
• 초세포에서 비틀림 결함 핵을 모델링하기 위해 최소 이미지 원칙과 주기적 경계 조건을 적용하였다.
• 다양한 응력 상태 하에서 원자 이동과 결합 비틀림을 분석함으로써 비틀림 결함 핵의 구조를 규명하였다.
• 다양한 {110} 유풍 평면에서 임계 분해 전단 응력(CRSS)을 계산하고 유풍 거동을 비교하였다.
• 이중축 [101]과 삼중축 나사축을 사용하여 비틀림 핵의 대칭성 붕괴를 분석하고, 디제너레이트된 구성 상태를 식별하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 순수 전단 응력 하에서 0 K에서 몰리브데넘과 텅스텐의 1/2〈111〉 나사 비틀림 결함 핵의 구조는 어떻게 변화하며, 대칭성은 어떤 역할을 하는가?
• RQ2 왜 인장/압축 하중 조건 하에서 몰리브데넘과 텅스텐에서 쇼마이드 법칙이 붕괴되며, 어떤 응력 성분이 원인인가?
• RQ3 왜 전단 하중 조건 하에서 몰리브데넘에서는 이질성-반대이질성 비대칭이 나타나지만, 텅스텐에서는 그렇지 않은가?
• RQ4 유풍 방향에서 분해 전단 응력이 낮은 {110} 평면에서 비틀림 결함의 유풍이 선호적으로 일어날 수 있는가? 그 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 유풍 방향과 수직인 전단 응력은 비틀림 결함 핵을 어떻게 변화시키며, 유풍에 대한 임계 분해 전단 응력에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 몰리브데넘에서는 유풍 방향과 수직인 전단 성분의 영향으로 순수 전단 응력 하에서 뚜렷한 이질성-반대이질성 비대칭이 관찰된다.
• 텅스텐에서는 이러한 비대칭이 발견되지 않아 전단 하중에 대해 더 대칭적인 반응을 보임을 시사한다.
• 두 금속 모두에서 쇼마이드 법칙의 붕괴는 주로 유풍 방향과 수직인 전단 응력에 의해 주도되며, 이는 비틀림 결함 핵의 구조를 비틀게 한다.
• 유풍 방향에서 분해 전단 응력이 낮은 평면—특히 (011) 및 (110) 평면—에서 전단 응력 성분이 크고 음수일 경우 비틀림 결함의 유풍이 가능해진다.
• 이러한 조건 하에서 1/2〈111〉 나사 비틀림 결함의 핵은 (101) 평면에서 수축하고 (011) 및 (110) 평면으로 퍼져나가며, 이는 이례적 유풍을 가능하게 한다.
• 편미분 응력 텐서가 비틀림 결함의 유풍를 지배하며, 유풍 방향과 수직인 전단 응력은 직접적으로 운동을 유도하지 않지만 핵의 구조를 변화시켜 유한 기준 설정에 핵심적인 역할을 한다.