[논문 리뷰] Segregation competition and complexion coexistence within a polycrystalline grain boundary network

Pulkit Garg, Zhiliang Pan외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 30.

Microstructure and mechanical properties참고 문헌 94인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 하이브리드 몬테카를로/분자 동역학 시뮬레이션을 사용하여 다결정 구리-지르코늄 합금에서의 계면 분할과 복합면 전이를 조사한다. 비균일한 Zr 분할이 결정립 경계 전반에 걸쳐 발생하며, 국소 농도는 전반 평균보다 최대 한 계급 높은 것으로 밝혀졌고, 고온에서 순서 정렬된 복합면과 비정질 복합면이 공존하는 것으로 나타났다. 이는 다결정 네트워크 내에서의 구조적 및 조성적 다양성을 강조한다.

ABSTRACT

Interfacial segregation can stabilize grain structures and even lead to grain boundary complexion transitions. However, understanding of the complexity of such phenomena in polycrystalline materials is limited, as most studies focus on bicrystal geometries. In this work, we investigate interfacial segregation and subsequent complexion transitions in polycrystalline Cu-Zr alloys using hybrid Monte Carlo/molecular dynamics simulations. No significant change in the grain size or structure is observed upon Zr dopant addition to a pure Cu polycrystal at moderate temperature, where grain boundary segregation is the dominant behavior. Segregation within the boundary network is inhomogeneous, with some boundaries having local concentrations that are an order of magnitude larger than the global value and others having almost no segregation, and changes to physical parameters such as boundary free volume and energy are found to correlate with dopant concentration. Further, another alloy sample is investigated at a higher temperature to probe the occurrence of widespread transitions in interfacial structure, where a significant fraction of the originally ordered boundaries transition to amorphous complexions, demonstrating the coexistence of multiple complexion types, each with their own distribution of boundary chemical composition. Overall, this work highlights that interfacial segregation and complexion structure can be diverse in a polycrystalline network. The findings shown here complement existing computational and experimental studies of individual interfaces and help pave the way for unraveling the complexity of interfacial structure in realistic microstructures.

연구 동기 및 목표

• 단순한 이결정 모델을 넘어서 다결정 물질에서의 계면 분할과 복합면 전이를 이해하기 위해.
• 도핑 농도와 경계 특성에 의한 분할 행동이 실제 미세구조에서 어떻게 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• 단일 다결정 네트워크 내에서 순서 정렬된 복합면과 비정질 복합면과 같은 여러 복합면 유형이 공존할 수 있는지 탐구하기 위해.
• 경계의 자유 체적 및 에너지 변화와 국소 도핑 분할 및 구조 전이 간의 연관성을 연결하기 위해.

제안 방법

• 다결정 구리-지르코늄 시스템에서 원자 척도의 동역학 및 열역학을 모델링하기 위해 하이브리드 몬테카를로/분자 동역학 시뮬레이션을 사용하였다.
• 분할 및 상 전이를 탐색하기 위해 중간 온도 및 고온에서 시뮬레이션을 수행하였다.
• 구조 상태와 관련하여 국소 도핑 농도, 자유 체적, 에너지를 분석하기 위해 결정립 경계 네트워크를 분석하였다.
• 계면 구조의 변화를 추적하여 순서 정렬된 복합면에서 비정질 복합면으로의 전이를 탐지하였다.
• 분할 수준과 구조 상태와의 상관관계를 식별하기 위해 경계 특성에 기반한 통계 분석을 수행하였다.
• 다양한 경계 유형과 정렬을 가진 현실적인 다결정 미세구조를 모델에 통합하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중간 온도에서 다결정 구리 기반 다결정 Cu에서 Zr 분할은 어떻게 결정립 경계에 분포하는가?
• RQ2 자유 체적 및 에너지와 같은 국소 경계 특성이 분할 행동을 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 열적 자극 조건에서 단일 다결정 네트워크 내에서 여러 복합면 유형이 공존할 수 있는가?
• RQ4 순서 정렬된 복합면에서 비정질 복합면으로의 구조 전이가 어느 정도 발생하며, 국소 조성과 어떻게 연관되는가?
• RQ5 다른 결정립 경계에서 화학 조성과 계면 구조의 분포는 어떻게 달라지는가?

주요 결과

• 다결정 구리에서 Zr 분할은 매우 비균일하며, 국소 농도는 전반 평균보다 최대 한 계급 높다.
• 자유 체적이 높고 에너지가 높은 경계에서는 Zr 분할이 더 강하게 나타나, 구조적 특성과 화학적 특성 간 직접적인 상관관계가 있음을 시사한다.
• 고온에서 초기에 순서 정렬된 결정립 경계의 상당 부분이 비정질 복합면으로 전이되었다.
• 순서 정렬된 복합면과 비정질 복합면이 공존하는 것으로 관찰되었으며, 각각 고유하고 비균일한 화학 조성을 가졌다.
• 중간 온도에서 명백한 결정립 성장이나 구조 재조직이 발생하지 않아, 분할이 미세구조 변화보다 지배적임을 시사한다.
• 이러한 결과는 다결정 시스템에서 계면 행동이 부피 평균 모델이 예측하는 것보다 훨씬 더 이질적임을 입증한다.