[논문 리뷰] Solute Induced Defect Phase Transformations in Mg Grain Boundaries

P. Mathews, S. Zhang외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 16.

Microstructure and mechanical properties인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 밀도함수이론(ab initio) 시뮬레이션과 결함 상도도를 활용하여 Mg 결정립경계에서 용매에 의한 결함 상 전이를 조사하며, 굴절응력 또는 고온 조건에서 Ga의 분포가 Σ7 (12̄30) [0001] 경계에서 A형 구조를 안정화시킴을 밝혀냈다. 주요 발견은 두 가지 별개의 결함 상 전이 메커니즘으로, 하나는 응력/온도에 의해 유도되고 다른 하나는 화학적 포텐셜에 의해 유도되며, Ga는 저농도에서는 주로 a1 위치를 점유하고 고농도에서는 a3 위치로 이동하며, 핵형성 에너지(barrier)를 넘어서면 Mg5Ga2 침전상이 형성됨을 확인하였다.

ABSTRACT

The study of defect phases is important for designing nanostructured metals and alloys. Grain boundaries (GBs) form one class of defects that directly influence materials properties, such as deformability and strength. At the same time, alloying can introduce GB phase transformations and can therewith alter mechanical performance. In this work, the defect phases of a $Σ$7 $(12\bar{3}0)$ [0001] 21.78$^\circ$ symmetric tilt GB in hcp Mg are investigated. Ab-initio simulations as a function of stress and temperature (using quasi-harmonic approximation) are performed, and different types of phase transformations are revealed. To this end, the influence of the chemical degree of freedom on the defect phases is studied for the example of Ga addition, using an efficient screening approach that combines empirical potentials and accurate ab-initio calculations. By exploiting the concept of defect phase diagrams, a phase transformation from the T to the A structural type and as well as a systematic transition of the segregation site preference is revealed. The results qualitatively agree well with experimental observations from scanning transition electron microscopy. The underlying physical mechanisms have an impact on grain-boundary engineering in metallic alloys.

연구 동기 및 목표

• 용매 첨가(Ga)가 Mg 결정립경계에서 결함 상 전이를 어떻게 유도하는지 이해하는 것.
• Σ7 Mg 결정립경계에서 Ga에 대한 결함 상도도도(DPD)를 구축하여 구조적 및 침착 전이를 기록하는 것.
• 다양한 응력, 온도 및 화학적 포텐셜 조건에서 상 안정성과 용매의 위치 선호도의 열역학적 및 운동적 원인을 규명하는 것.
• 컴퓨터 예측 결과를 스캐닝 투과전자현미경(STEM) 관측 결과와 연결하는 것.

제안 방법

• 응력과 온도에 따른 결함 상 안정성을 계산하기 위해 준고전적 근사법을 활용한 ab initio 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행함.
• 2~6개의 Ga 원자를 포함하는 경계에서 저에너지 구조를 사전 선별하기 위해 경험적 Mg-Al MEAM 포텐셜과 DFT를 조합한 효율적인 筛选 프로토콜을 도입함.
• Ga의 화학적 포텐셜을 변화시켜 구조적 및 침착 전이를 매핑할 수 있도록 결함 상도도도(DPD)를 구성함.
• 다양한 구조에 대해 침착 에너지를 계산하여 안정한 용매 위치(a1, a3)를 규명하고 농도 증가에 따른 위치 선호도 변화를 추적함.
• Mg5Ga2 침전상 형성의 핵형성 에너지를 평가하여 평형 상태에 도달하기 위한 운동적 가능성 여부를 분석함.
• 예측된 결함 구조를 STEM 관측 결과와 비교하여 실험적 검증을 수행함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 압축응력 또는 450 K 이상의 고온 조건에서 Σ7 Mg 결정립경계에서 T형 구조에서 A형 구조로의 구조 전이가 어떻게 유도되는가?
• RQ2 Ga의 침착가 구조 안정성에 미치는 영향은 무엇이며, Ga의 농도 증가에 따라 위치 선호도가 어떻게 변화하는가?
• RQ3 화학적 포텐셜이 Ga 침착이 a1에서 a3로 이동하는 두 번째 순서의 결함 상 전이를 어떻게 유도하는가?
• RQ4 핵형성 에너지 장벽이 Ga 농축 조건에서 Mg5Ga2 침전상 형성에 어떤 영향을 미치며, 이 상은 언제 열역학적으로 접근 가능해지는가?
• RQ5 예측된 결함 상 전이 및 용매의 위치 선호도가 실험적 STEM 관측 결과와 어느 정도 일치하는가?

주요 결과

• 0 K에서 T형 구조가 기저 상태이지만, 압축응력 또는 450 K 이상의 온도에서 A형 구조가 안정화되어 두 개의 1차 결함 상 전이가 발생함을 시사함.
• Ga의 침착이 A형 구조를 안정화시키며, 저농도에서 가장 낮은 에너지 상태는 하나의 Ga 원자가 a1 위치에 있는 경우임.
• Ga의 화학적 포텐셜 증가에 따라 Ga 침착 선호도가 a1에서 a3로 체계적으로 이동함을 확인하여 화학적 요인에 의한 결함 상 전이가 발생함을 규명함.
• 고농도 조건에서는 네 개의 Ga 원자가 a3, b, e, e’ 위치를 차지하는 안정된 구조로 전이되며, a3 위치는 용매 농축 조건에서만 에너적으로 유리해짐.
• Mg5Ga2 침전상 형성은 열역학적으로 유리하지만, 높은 핵형성 에너지 장벽(0.606 eV)으로 인해 운동적으로 저항됨을 확인하여 침전이 발생하려면 이 장벽을 넘어야 함.
• 예측된 결함 상 행동 및 용매의 위치 선호도가 실험적 STEM 관측 결과와 강한 정성적 일치를 보임.