[논문 리뷰] Role of interface morphology on the martensitic transformation in pure Fe

Pawan K. Tripathi, Shivraj Karewar외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 19.

Microstructure and Mechanical Properties of Steels참고 문헌 52인용 수 20

한 줄 요약

이 연구는 Nishiyama-Wasserman 정렬 관계 하에서 순수 철의 마르텐사이트 상전이를 평탄한 표면과 러프한 표면을 갖는 인터페이스 간에 비교하기 위해 고전적 분자 동역학 시뮬레이션을 사용한다. 이는 이질성 불일치를 유발하는 불일치 결정자 네트워크가 인터페이스에서 원자 이동을 이끄는 반면, 러프한 표면은 겹침 결함을 유도하여 인터페이스 이동도를 감소시킨다는 것을 밝혀낸다. 특히, 이동도의 온도 의존성이 평탄한 표면과 러프한 표면에서 서로 반대되는 경향을 보이며, 다양한 형태의 상전이 메커니즘을 통합적으로 이해할 수 있는 통찰을 제공한다.

ABSTRACT

Using classical molecular dynamics simulations, we study austenite to ferrite phase transformation in iron, focusing on the role of interface morphology. We compare two different morphologies; a extit{flat} interface in which the two phases are joined according to Nishiyama-Wasserman orientation relationship vs. a extit{ledged} one, having steps similar to the vicinal surface. We identify the atomic displacements along a misfit dislocation network at the interface leading to the phase transformation. In case of extit{ledged} interface, stacking faults are nucleated at the steps, which hinder the interface motion, leading to a lower mobility of the inter-phase boundary, than that of flat interface. Interestingly, we also find the temperature dependence of the interface mobility to show opposite trends in case of extit{flat} vs. extit{ledged} boundary. We believe that our study is going to present a unified and comprehensive view of martensitic transformation in iron with different interface morphology, which is lacking at present, as extit{flat} and extit{ledged} interfaces are treated separately in the existing literature.

연구 동기 및 목표

• 직접적으로 평탄한 표면과 러프한 표면을 비교함으로써 마르텐사이트 상전이에서 인터페이스 이동도에 대한 모순된 보고들을 해결하기 위해.
• 순수 철에서 옥소아이트에서 페라이트로의 상전이 과정에서 인터페이스 형태가 원자 체계적 메커니즘에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 일반적으로 별개로 연구되는 평탄한 표면과 러프한 표면의 거동를 통합함으로써 마르텐사이트 상전이에 대한 통합된 이해를 제공하기 위해.
• 불일치 결정자 네트워크와 단계 유도형 겹침 결함이 인터페이스 운동과 상전이 동역학을 어떻게 규제하는지 규명하기 위해.

제안 방법

• 일致된 원자 간 상호작용 잠재에너지, 경계 조건, 열 및 압력 제어를 사용한 고전적 분자 동역학(MD) 시뮬레이션을 수행하였다.
• 두 가지 다른 인터페이스 형태를 모델링하였다: Nishiyama-Wasserman 정렬 관계를 따르는 평탄한 인터페이스와 비날리 표면을 닮은 단계를 가진 러프한 인터페이스.
• 실시간으로 원자 이동을 추적하여 인터페이스에서 상전이를 이끄는 메커니즘을 규명하였다.
• 온도에 따른 이동도를 평탄한 표면과 러프한 표면 모두에 대해 정량화하여 열적 의존성을 평가하였다.
• 공통된 근접 분석(CNA) 및 결정자 식별 도구(예: AADIS)를 사용하여 결정자 네트워크와 겹침 결함을 특성화하였다.
• 시뮬레이션은 철에 대해 MEAM 잠재에너지와 Nosé-Hoover 열역학기구 및 Parrinello-Rahman 압력기구를 사용한 NVT 앙상블에서 수행되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 인터페이스 형태(평탄한 표면 대비 러프한 표면)는 순수 철의 마르텐사이트 상전이에서 원자 체계적 메커니즘에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 불일치 결정자 네트워크는 상전이 과정에서 원자 이동을 어떻게 매개하는가?
• RQ3 왜 평탄한 표면과 러프한 표면 간의 인터페이스 이동도의 온도 의존성이 서로 다를까?
• RQ4 러프한 표면의 단계에서 형성된 겹침 결함은 상계면 이동도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 인터페이스 형태와 결함 구조는 상전이 동역학과 경로에 얼마나 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• 상전이는 인터페이스에서 불일치 결정자 네트워크를 따라 좌표화된 원자 이동에 의해 주도되며, 이는 평탄한 표면에서 더 두드러진다.
• 러프한 표면에서는 단계에서 겹침 결함이 형성되며, 이는 평탄한 표면보다 상계면 이동도를 감소시키는 장애물로 작용한다.
• 평탄한 표면에서는 인터페이스 이동도가 온도 상승에 따라 증가하지만, 러프한 표면에서는 이동도가 온도 상승에 따라 감소하여 반대되는 경향을 보인다.
• 수직 성분을 포함한 원자 운동은 러프한 표면에서만 관찰되며, 이는 단계를 매개로 하는 성장 방식을 포함하는 별개의 상전이 경로를 시사한다.
• 이 연구는 러프한 표면이 BCC 상의 선호적 핵형성 위치를 제공하며, 인터페이스 운동이 러프한 표면의 벡터에 의해 이끌린다는 것을 밝혀냈다.
• 이러한 발견들은 이질적인 인터페이스 형태에 걸쳐 마르텐사이트 상전이를 통합적으로 이해할 수 있는 프레임워크를 제공하며, 이전에 모순되던 이동도에 대한 보고들을 조율한다.