[논문 리뷰] Screw dislocations in BCC transition metals: from <i>ab initio</i> modeling to yield criterion

Emmanuel Clouet, Baptiste Bienvenu외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

Microstructure and mechanical properties참고 문헌 110인용 수 39

한 줄 요약

본 논문은 ab initio DFT를 사용하여 BCC 텅스턴에서 1/2<111> 나사 전위에 대한 2D Peierls 포텐셜을 구성하고, T/AT 및 비활성 효과를 포함한 비-Schmid 항을 유도하며, 실험과 비교한다.

ABSTRACT

We show here how density functional theory calculations can be used to predict the temperatureand orientation-dependence of the yield stress of body-centered cubic (BCC) metals in the thermallyactivated regime where plasticity is governed by the glide of screw dislocations with a 1/2 &lt;111&gt; Burgers vector. Our numerical model incorporates non-Schmid effects, both the twinning/antitwinning asymmetry and non-glide effects, characterized through ab initio calculations on straight dislocations. The model uses the stress-dependence of the kink-pair nucleation enthalpy predicted by a line tension model also fully parameterized on ab initio calculations. The methodology is illustrated here on BCC tungsten but is applicable to all BCC metals. Comparison with experimental data allows to highlight both the successes and remaining limitations of our modeling approach.

연구 동기 및 목표

• Screw dislocation glide 메커니즘을 통해 BCC 금속의 소성 이해를 촉진한다.
• 열 활성화 구간에서 비-Schmid 효과와 kink-pair 형성이 항복에 어떻게 지배하는지 정량화한다.
• 온도 및 방향 의존성을 포착하는 DFT 데이터에 기초한 항력 기준을 개발한다.
• 텅스턴에서 방법론을 시연하고 다른 BCC 금속에의 적용 가능성을 논의한다.

제안 방법

• 4극 주기 경계 설정을 사용하여 1/2<111> 나사 전위를 모델링하고 전위 쌍을 시뮬레이션한다.
• DFT로 V_P^2D(x,y) 2D 에너지 포텐셜을 계산하고, easy 코어, split 코어, hard 코어 및 saddle 구성을 포함한다.
• 적용 응력 하에서 NEB를 통해 Peierls 장애물과 장애물 높이를 계산하여 Peierls 응력 tau_P를 추출한다.
• 전위 경로를 따라 1D 엔탈피 장애를 도출하고, 적용 응력이 장애물 기울기에 어떻게 연관되는지 밝히며, 수정된 Schmid 법칙으로 이어진다.
• 비-Schmid 효과 및 T/AT 비대칭을 설명하기 위해 Trajectory 각도 alpha를 통한 응력 의존 보정을 도입한다.
• 비부피적 격자 반응을 설명하기 위해 2D Eshelby 유사 코어 필드를 이용한 코어 이완 부피를 포함한다.]
• research_questions:[]
• ["BCC 텅스턴의 1/2<111> 나사 전위에 대한 2D Peierls 포텐셜은 전위 위치에 따라 어떻게 달라지는가?","T/AT 비대칭 및 비활주 응력 등을 포함한 비-Schmid 효과가 BCC 나사 전위에 대한 항복 기준을 어떻게 수정하는가?","ab initio 데이터를 사용하여 BCC 금속의 온도 및 방향 의존적인 항복 응력을 예측할 수 있는가?","활주 장벽과 kink-pair 핵생성 결정에서 전위 코어 위상(easy/hard/split)의 역할은 무엇인가?","MRSSP 방향 전체에서 직선 경로에서 벗어난 전위 궤적 편향이 관찰되는 항복 거동에 어떤 영향을 미치는가?"]
• key_findings:[

실험 결과

주요 결과

• BCC 텅스턴의 나사 전위 코어는 비정립(non-degenerate)이고 조밀하며, easy, split, hard, saddle 코어 구성이 확인되었다.
• Peierls 장애는 단일 융점형태를 보이며, 쉬운 코어 사이에 saddle 점이 있고 응력 하에 장애에 대한 작은 탄성 보정이 있다.
• 0 K에서의 Peierls 응력은 연구된 구성에서 약 1970 MPa로 실험적 외삽값보다 현저히 큰 편이다.
• 전위 궤도는 split 코어 쪽으로 편향되며, 이는 쌍생/비쌍생(T/AT) 비대칭과 상관관계가 있고 이 편향은 방향 각도 alpha로 정량화할 수 있다.
• 수정된 Schmid 법칙은 Trajectory 각도 alpha를 반영하여 MRSSP 방향 chi에 따른 항복 응력을 tau_P(chi) = cos(alpha)/cos(chi - alpha) * tau_P^0로 포착한다.
• 비활주 코어 팽창장(core-dilatation field)은 이완 부피 및 장력-압축 비대칭에 기여하여 응력 응답과 에너지 포효를 좌우한다.