[논문 리뷰] Strengthening magnesium by design: integrating alloying and dynamic processing

Suhas Eswarappa Prameela, Peng Yi외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 11.

Magnesium Alloys: Properties and Applications인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 고체상 구조의 비대칭성으로 인한 연성 변형의 내재적 한계를 극복하여 고강도 경량 마그네슘 합금을 확보하기 위해 합금화와 동적 열메커니컬 가공을 융합한 설계 전략을 제안한다. 변형 유도 핵형성(DIP)을 활용하여 저온에서 미세하고 고밀도의 침전상을 형성함으로써, 상호보완적 작용 메커니즘인 변형률과 겹침 저항 메커니즘을 통해 강도를 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

Magnesium (Mg) has the lowest density of all structural metals and has excellent potential for wide use in structural applications. While pure Mg has inferior mechanical properties; the addition of further elements at various concentrations has produced alloys with enhanced mechanical performance and corrosion resistance. An important consequence of adding such elements is that the saturated Mg matrix can locally decompose to form solute clusters and intermetallic particles, often referred to as precipitates. Controlling the shape, number density, volume fraction, and spatial distribution of solute clusters and precipitates significantly impacts the alloy's plastic response. Conversely, plastic deformation during thermomechanical processing can dramatically impact solute clustering and precipitation. In this paper, we first discuss how solute atoms, solute clusters, and precipitates can improve the mechanical properties of Mg alloys. We do so by primarily comparing three alloy systems: Mg-Al, Mg-Zn, and Mg-Y-based alloys. In the second part, we provide strategies for optimizing such microstructures by controlling nucleation and growth of solute clusters and precipitates during thermomechanical processing. In the third part, we briefly highlight how one can enable inverse design of Mg alloys by a more robust Integrated Computational Materials Design (ICMD) approach.

연구 동기 및 목표

• HCP 결정구조로 인한 연성 변형의 내재적 한계로 인해 구조용으로 사용 가능한 고강도 경량 마그네슘 합금을 확보하기 위한 과제를 해결하기 위해.
• 강도를 결정짓는 미세구조적 특성—용질 원자, 군집, 침전상—이 마그네슘-알루미늄, 마그네슘- zinc, 마그네슘-이트륨 체계에서 어떻게 작용하는지 규명하고 최적화하기 위해.
• 동적 결함 공학을 통한 침전상의 핵형성 및 성장에 대한 정밀 제어를 가능하게 하는 가공-구조-성질 프레임워크를 개발하기 위해.
• 다중스케일 모델링과 실험적 검증에 기반한 통합된 계산 기반 재료 설계(ICMD) 접근법을 통해 고성능 마그네슘 합금의 역설계를 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 원자 척도에서 용질 군집화 및 침전상 형성 동역학을 모델링하기 위해 분자 동역학(MD) 및 몬테카를로(MC) 시뮬레이션을 활용한다.
• 고전적 핵형성 이론(CNT)과 Cottrell-Eshelby 모델을 사용하여 비편평한 핵형성에서 변형률과 공백이 차지하는 역할을 정량화한다.
• 저온에서 변형 유도 핵형성(DIP)을 적용하여 변형률과 공백을 주입함으로써 핵형성 속도를 가속화하고 침전상 크기를 미세하게 조절한다.
• 원자 프로브 톰그래피(APT), 투과전자현미경(TEM), 소각사각형X선산란(SAXS)과 같은 실험 기법을 통합하여 결함 및 침전상 분포를 정량화한다.
• 역설계를 가능하게 하는 통합된 ICMD 프레임워크를 개발하여 구조-성질 관계와 가공-구조 관계를 결합한다.
• 결정성형성 및 변형률 동역학(DD) 모델을 사용하여 다양한 용질 및 침전상 조건에서의 슬립 및 겹침 거동을 시뮬레이션한다.

Figure 1: Comparison of pre- and post-heat treatment yield strengths of selected commercial Mg and Al alloys [Committee et al., 1990 , Bauccio et al., 1993 , John M. Holt, 1996 , Avedesian et al., 1999 , Association, 2015 , Association et al., 2000 ] .

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HCP 마그네슘에서 용질 원자, 군집, 침전상이 변형률과 겹침에 어떻게 영향을 미치며, 이를 통해 연성 변형 거동이 어떻게 결정되는가?
• RQ2 특히 결함 매개 비편평 핵형성에 의해 유도되는 나노스케일 침전상의 향상된 핵형성 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 저온에서 고체적 분율, 미세한 침전상을 확보하기 위해 변형 유도 핵형성(DIP)을 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ4 용질 화학 조성, 농도, 온도는 마그네슘 합금의 항복강도와 작업硬化 반응에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 통합된 계산 기반 재료 설계(ICMD) 프레임워크를 어떻게 수립하여 고성능 마그네슘 합금의 역설계를 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 변형 유도 핵형성(DIP)은 변형률과 공백을 핵형성의 중심으로 활용하여 핵형성 동역학을 크게 향상시키며, 저온에서도 미세한 침전상을 형성할 수 있도록 한다.
• 마그네슘-알루미늄, 마그네슘- zinc, 마그네슘-이트륨 합금에서의 용질 군집 및 침전상은 주로 변형률의 정지와 겹침 경계 저항 메커니즘을 통해 기질을 강화하며, 침전상 간격(λe)과 체적 분율(f)이 핵심 매개변수이다.
• 특히 마그네슘-이트륨 및 마그네슘- zinc 체계에서 용질 군집 및 침전상 강화로 인해 슬립에 대한 임계 응력(CRSS)이 최대 200 MPa까지 증가한다.
• 변형률 밀도(ρ)와 공백 농도는 비편평 핵형성의 주요 추진력이며, DIP는 균일 핵형성 대비 핵형성 속도를 수십 배에서 수백 배로 증가시킨다.
• ICMD 프레임워크는 검증된 다중스케일 모델을 통해 가공 조건(예: 변형률 속도, 온도)과 미세구조 변화 및 기계적 거동 간의 관계를 연결함으로써 예측적 설계를 가능하게 한다.
• APT 및 TEM을 통한 실험적 검증 결과, DIP는 평균 지름 10 nm 이하, 간격 20 nm 이하의 침전상을 형성하며, 강도 향상 효율을 극대화함을 확인하였다.

Figure 2: CRSS for slip and twinning systems for pure Mg single-crystals. Data adapted from Nie et al. [ 2020a ]