[논문 리뷰] Solid solution and precipitation strengthening effects in basal slip, extension twinning and pyramidal slip in Mg-Zn alloys

Nan Li, Chuanyun Wang외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 07.

Magnesium Alloys: Properties and Applications참고 문헌 29인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 Mg-Zn 합금에서 기계적 변형 메커니즘인 기저면 비틀림, 확장 편열, 피라미드 비틀림에 기인한 임계 분해 전단응력(CRSS) 변화를 직접 측정하기 위해 확산 커플 및 나노기계적 시험을 조합한 고속도 방법을 개발한다. 연구 결과, MgZn₂ 침전상은 고용된 Zn에 비해 기저면 비틀림과 확장 편열을 더 크게 강화시키며, 피라미드 비틀림은 두 경우 모두 유사하게 강화됨을 확인하였다. 이로 인해 침전상 강화 합금은 고용상 강화 합금에 비해 비등방성 비율이 크게 감소함을 보였다.

ABSTRACT

A high-throughput methodology is proposed, based on the combination of diffusion couples and advanced nanomechanical testing methods, to directly measure alloying effects on the critical resolved shear stress (CRSS) of individual deformation modes in Mg alloys. The methodology is tested in Mg-Zn alloys by assessing the alloying effects, up to Zn contents of 2 at.%, on basal slip, extension twining and pyramidal slip in two metallurgical condition: as-quenched, for which the Zn solute atoms remain homogenously dispersed in solid solution; and peak-aged, for which the Zn atoms form rod-shape $MgZn_{2}$ precipitates. A combined approach including micromechanical testing, transmission Kikuchi diffraction, and high-resolution transmission electron microscopy was performed to reveal the corresponding deformation mechanisms. It was found that the CRSS enhancement for basal slip and extension twinning by $MgZn_{2}$ precipitates is considerably larger than the effect of Zn in solid solution, while the strengthening of pyramidal slip is similar in both cases. As a result, the anisotropy ratios remain high and similar to pure Mg in the solid solution strengthened Mg-Zn alloys. However, they are substantially reduced in precipitation strengthened Mg-Zn alloys.

연구 동기 및 목표

• Mg 합금에서 각각의 변형 모드에 대한 합금 성분의 영향을 직접 측정할 수 있는 고속도 방법론을 개발하는 것.
• Mg-Zn 합금에서 기저면 비틀림, 확장 편열, 피라미드 비틀림에 대한 고용상 및 침전상 강화의 상대 기여도를 정량화하는 것.
• 특히 빠르게 냉각한 상태(고용상)와 피크 노화 상태(침전상 포함)의 미세구조가 변형 저항력과 비등방성에 미치는 영향을 평가하는 것.
• Zn 이 고용 상태일 때와 MgZn₂ 침전상일 때 각각의 임계 분해 전단응력(CRSS)에 미치는 영향을 핵심 변형 메커니즘에서 명확히 하는 것.

제안 방법

• 고용된 Zn 농도를 체계적으로 변화시킬 수 있도록 확산 커플을 사용하여 Mg 합금 내에 기울어진 Zn 농도 프로파일을 형성하였다.
• 다양한 Zn 농도에서 각각의 변형 모드에 대한 CRSS를 측정하기 위해 마이크로기계적 시험(나노인덴테이션 및 마이크로압축)을 적용하였다.
• 결정학적 정렬과 변형 활성도를 맵핑하기 위해 전자현미경 회절 기반의 전이 Kikuchi 회절(Transmission Kikuchi Diffraction, TKD)을 사용하였다.
• MgZn₂ 침전상의 형상 및 분포를 특성화하기 위해 고해상도 투과전자현미경(High-Resolution Transmission Electron Microscopy, HRTEM)을 활용하였다.
• 기계적 거동과 미세구조를 연계하여 고용상 강화와 침전상 강화의 영향을 분리하였다.
• 빠르게 냉각한 상태와 피크 노화 상태에서 기저면 비틀림, 확장 편열, 피라미드 비틀림에 대한 CRSS 향상 정도를 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고용된 Zn는 Mg-Zn 합금에서 기저면 비틀림의 임계 분해 전단응력(CRSS)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 MgZn₂ 침전상의 형성이 고용상 강화에 비해 Mg-Zn 합금에서 확장 편열의 CRSS에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 고용상 및 침전상 강화는 Mg-Zn 합금에서 피라미드 비틀림에 대해 어떤 상대 기여를 하는가?
• RQ4 빠르게 냉각한 상태와 피크 노화 상태의 Mg-Zn 합금에서 CRSS 향상 정도에 있어 강화 메커니즘의 차이는 무엇인가?
• RQ5 침전상 강화는 Mg-Zn 합금에서 변형 모드의 비등방성 비율을 어느 정도 변화시키는가?

주요 결과

• MgZn₂ 침전상은 고용된 Zn보다 기저면 비틀림의 CRSS를 훨씬 더 크게 향상시키며, 침전상에 의한 강화 효과가 지배적임을 시사한다.
• MgZn₂ 침전상은 고용된 Zn에 비해 확장 편열의 CRSS 향상 정도가 뚜렷하게 크며, 침전상의 형상과 분포가 핵심적인 역할을 함을 강조한다.
• 피라미드 비틀림은 고용상과 침전상 강화 모두에서 비슷한 정도로 강화되며, 이는 두 미세구조 상태 모두에서 이 변형 모드에 대한 저항력이 유사함을 의미한다.
• 고용상 강화 합금에서는 비등방성 비율이 순수 Mg과 유사하게 높게 유지되며, 변형 모드 선호도에 큰 변화가 없음을 나타낸다.
• 침전상 강화 합금에서는 비등방성 비율이 크게 감소하여 기저면 비틀림과 확장 편열이 효과적으로 강화됨에 따라 변형 거동이 더 등방성에 가까워짐을 보였다.
• 확산 커플, 나노기계적 시험, TKD, HRTEM의 병합은 변형 모드 간 CRSS 변화를 직접적으로 정량적으로 측정할 수 있게 하여 합금 설계를 위한 견고한 프레임워크를 제공한다.