[논문 리뷰] Nanoindentation of single crystalline Mo: Atomistic defect nucleation and thermomechanical stability

F. J. Domínguez-Gutiérrez, Stefanos Papanikolaou외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 17.

Metal and Thin Film Mechanics참고 문헌 53인용 수 40

한 줄 요약

이 연구는 10에서 800 K의 온도 범위에서 구형 나노인덴터를 사용한 분자 동역학 시뮬레이션을 통해 단일결정 몰리브덴의 열기계적 안정성을 조사한다. 연구에서는 특히 1/2[111] 비틀림 결함이 형성하는 [001] 비틀림 결함 접합체의 형성과 높은 열적 안정성이 몰리브덴의 고온에서 지속적인 고경도를 유지하는 데 핵심적인 원자적 메커니즘임을 규명하였으며, 이는 텅스텐(W) 및 탠탄(Ta)과 같은 다른 체적센터입방구조(BCC) 금속과의 차이를 설명한다.

ABSTRACT

The mechanical responses of single crystalline Body-Centered Cubic (BCC) metals, such as molybdenum (Mo), outperform other metals at high temperatures, so much so that they are considered as excellent candidates for applications under extreme conditions, such as the divertor of fusion reactors. The excellent thermomechanical stability of molybdenum at high temperatures (400-1000$^{ m o}$C) has also been detected through nanoindentation, pointing towards connections to emergent local dislocation mechanisms related to defect nucleation. In this work, we carry out a computational study of the effects of high temperature on the mechanical deformation properties of single crystalline Mo under nanoindentation. Molecular dynamics (MD) simulations of spherical nanoindentation are performed at two indenter tip diameters and crystalline sample orientations [100], [110], and [111], for the temperature range of 10-1000K. We investigate how the increase of temperature influences the nanoindentation process, modifying dislocation densities, mechanisms, atomic displacements and also, hardness, in agreement with reported experimental measurements. Our results suggest that the characteristic formation and high-temperature stability of [001] dislocation junctions in Mo during nanoindentation, in contrast to other BCC metals, may be the cause of the persistent thermomechanical stability of Mo.

연구 동기 및 목표

• 고온(400–1000 °C)에서 몰리브덴의 뛰어난 열기계적 안정성의 원자 척도 기원을 이해하기 위해.
• 나노인덴터링 중 온도가 단일결정 몰리브덴에서 비틀림 결함 생성, 진화 및 접합체 형성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 비슷한 결정 구조를 가진 다른 BCC 금속(예: W, Ta)과 달리 몰리브덴이 고온에서도 높은 경도를 유지하는 이유를 명확히 하기 위해.
• 특히 비틀림 결함 접합체와 같은 특정 원자적 결함 메커니즘과 매크로스코픽 기계적 거동(예: 경도)을 연결하기 위해.
• 원자적 시뮬레이션을 통해 극한의 열기계적 하중 조건에서 몰리브덴의 저감소성과 높은 성능을 기계적 메커니즘으로 설명하고, 실험적 경향과의 일치를 검증하기 위해.

제안 방법

• 단일결정 몰리브덴의 [100], [110], [111] 결정 방향을 대상으로 대규모 분자 동역학(MD) 시뮬레이션을 수행하여 구형 나노인덴터링을 모의한다.
• 원자적 진동 문제를 방지하고 제어 가능한 하중 조건을 확보하기 위해 반발력이 있는 상상 속의 인덴터를 사용하여 10–800 K 범위의 온도 효과를 시뮬레이션한다.
• 온도와 인덴터 이송 거리에 따른 비틀림 결함 밀도, 버거스 벡터 진화 및 원자 이동을 추적한다.
• 특히 1/2[111] 비틀림 결함에서 유래한 [001] 접합체의 형성과 안정성을 위상적 및 에너지 기준으로 분석한다.
• 모의된 경도 값과 비틀림 결함 밀도, 접합체 형성 간의 상관관계를 분석하여 실험적 나노인덴터링 데이터와의 일치를 검증한다.
• 보조 시각화 및 시간에 따른 분석을 통해 하중 공급 및 하중 해제 중 비틀림 결함 생성 및 접합체의 확산 과정을 추적한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노인덴터링 중 온도 상승이 단일결정 몰리브덴에서 비틀림 결함 생성, 전파 및 접합체 형성에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ2 왜 몰리브덴은 고온에서 높은 경도를 유지하는 반면, W 및 Ta와 같은 다른 BCC 금속은 그렇지 않은가?
• RQ3 나노인덴터링 하에서 [001] 비틀림 결함 접합체가 몰리브덴의 열기계적 안정성 향상에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 [100], [110], [111]와 같은 서로 다른 결정학적 방향이 몰리브덴의 온도 의존 기계적 거동과 비틀림 결함 메커니즘에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ5 모의된 경도 값과 비틀림 결함 역학이 고온에서의 실험적 나노인덴터링 측정치와 어느 정도 일치하는가?

주요 결과

• 고온에서 몰리브덴의 주요 피로 메커니즘은 두 개의 1/2[111] 비틀림 결함이 반응하여 형성된 열적으로 안정적인 [001] 비틀림 결함 접합체의 형성임이 규명되었다.
• 이 [001] 접합체는 매우 안정적이며, 특히 400 K 이상의 온도에서 하중 조건에서 다량으로 증식되며, 이는 직접적으로 증가한 모의 경도와 관련이 있다.
• 온도와 인덴터 이송 거리가 증가할수록 [001] 접합체의 수가 크게 증가하며, 최대 하중 시점에 최고치에 도달함을 통해 온도 활성화 강화 과정임을 시사한다.
• 반면 텅스텐(W) 및 탠탄(Ta)에서는 이러한 접합체가 불안정하거나 존재하지 않지만, 몰리브덴은 이러한 접합체를 안정화시키는 데 있어 운동학적 및 에너지적으로 유리한 조건을 갖추고 있음을 확인하였다.
• 모의된 경도 값은 실험 측정치와 양호한 일치를 보이며, 모델의 고온 기계적 거동 예측 능력을 검증한다.
• [001] 접합체는 형성된 후 에너적으로 유리하고 열역학적으로 안정적이므로, 이들의 지속성과 몰리브덴에서의 변형 경화 기여 메커니즘을 설명할 수 있다.