[논문 리뷰] Origins and dissociation of pyramidal dislocations in magnesium and its alloys

Zhigang Ding, Wei Liu외 6명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 29.

Magnesium Alloys: Properties and Applications참고 문헌 39인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 마그네슘 합금에서 피라미드형 <c + a> 비틀림 결함이 피라미드 I 평면에서 선호적으로 형성되지만, 이트륨(Y)을 첨가하면 피라미드 II 평면에서 더 쉽게 분리된다는 것을 밝혀냈다. 분산를 고려한 밀도함수이론과 분자동역학를 사용하여, 저자들은 Y 합금화가 피라미드 II 평면에서의 격자결함를 평탄한 에너지 표면을 통해 안정화시켜 원자적 운동의 협동을 가능하게 하고, 피라미드 II 율동계를 활성화함으로써 마그네슘-이트륨 합금에서 실온에서의 연성 향상을 설명한다.

ABSTRACT

Alloying magnesium (Mg) with rare earth elements such as yttrium (Y) has been reported to activate the pyramidal slip systems and improve the plasticity of Mg at room temperature. However, the origins of such dislocations and their dissociation mechanisms remain poorly understood. Here, we systematically investigate these mechanisms using dispersion-inclusive density functional theory, in combination with molecular dynamics simulations. We find that dislocations form more readily on the pyramidal I plane than on the pyramidal II plane in Mg. The addition of Y atoms in Mg facilitates the dissociation of dislocations on pyramidal II, leading to the easier formation of the pyramidal II than pyramidal I in Mg-Y alloy. Importantly, in pyramidal II slip plane, a flat potential-energy surface (PES) exists around the position of stable stacking fault energy (SFE), which allows cooperative movement of atoms within the slip plane. Alloying Mg with Y atoms increases the range of the PES, and ultimately promotes different sliding pathways in the Mg-Y alloy. These findings are consistent with experimentally observed activation of the pyramidal II slip system in Mg-Y alloys, and provide important insight into the relationship between dislocation structure and macroscopic enhancement of plasticity.

연구 동기 및 목표

• 마그네슘 및 그 합금에서 피라미드형 <c + a> 비틀림 결함의 기원과 분리 메커니즘을 이해하기 위해.
• 요오드와 같은 희토류 원소가 마그네슘의 실온에서 연성을 향상시키는 이유를 명확히 하기 위해.
• Y 가 특정 율동 평면에서 격자결함의 안정성과 비틀림 결함의 이동성 향상에 미치는 역할을 조사하기 위해.
• 원자 척도의 비틀림 결함 거동과 마그네슘-이트륨 합금에서의 거시적 연성 향상 간의 연관성을 연결하기 위해.

제안 방법

• 피라미드 I 및 II 평면에서 마그네슘의 <c + a> 비틀림 결함의 형성 및 분리 에너지를 계산하기 위해 분산를 고려한 밀도함수이론(DFT-D)을 사용하였다.
• 윤동 비틀림 거동과 율동 중 원자 재배열을 관찰하기 위해 분자동역학(MD) 시뮬레이션을 수행하였다.
• 안정된 격자결함 에너지(SFE) 위치 주변의 잠재 에너지 표면(PES)을 분석하여 원자 이동성과 협동 운동을 평가하였다.
• 순수 마그네슘과 마그네슘-이트륨 합금 간의 PES 특성을 비교하여 Y 가 비틀림 결함 분리 및 율동 평면 안정성에 미치는 영향을 평가하였다.
• DFT를 사용하여 격자결함 에너지를 계산하고, 다양한 율동계의 열역학적 유리함을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 순수 마그네슘에서 왜 <c + a> 비틀림 결함이 피라미드 I 평면보다 피라미드 II 평면에서 더 쉽게 형성되는가?
• RQ2 이트륨 첨가가 마그네슘-이트륨 합금에서 피라미드 II 평면의 <c + a> 비틀림 결함 분리에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 피라미드 II 평면에서 비틀림 이동 중 협동 원자 운동을 가능하게 하는 잠재 에너지 표면(PES)의 역할은 무엇인가?
• RQ4 피라미드 II <c + a> 율동계는 형성 에너지가 더 높음에도 불구하고 마그네슘-이트륨 합금에서 왜 선호적으로 활성화되는가?
• RQ5 마그네슘-이트륨 합금에서 PES의 범위와 평탄함은 순수 마그네슘과 비교해 어떤 다른 이동 경로를 촉진하는가?

주요 결과

• 순수 마그네슘에서 피라미드형 <c + a> 비틀림 결함는 피라미드 I 평면에서 피라미드 II 평면보다 더 낮은 형성 에너지로 더 쉽게 형성된다.
• 이트륨 첨가로 인해 마그네슘-이트륨 합금에서 피라미드 II 평면의 <c + a> 비틀림 결함 분리가 촉진되어 이 율동계가 활성화된다.
• 마그네슘-이트륨 합금의 피라미드 II 평면에서 안정된 격자결함 에너지(SFE) 위치 주변에 평탄한 잠재 에너지 표면(PES)이 존재하여 협동 원자 운동이 가능해진다.
• Y 합금화로 인해 PES의 범위가 증가하여 피라미드 II 평면에서 비틀림 결함의 안정성과 이동성이 향상된다.
• 이 원자 척도 메커니즘이 마그네슘-이트륨 합금에서 실온에서 관측된 연성 향상 현상을 설명한다.