[논문 리뷰] The effect of the misfit dislocation on the in-plane shear response of the ferrite/cementite interface

Jaemin Kim, Keonwook Kang외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 04.

Microstructure and Mechanical Properties of Steels참고 문헌 30인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 원자적 시뮬레이션과 확장된 원자적으로 정보화된 프랭크-빌비(xAIFB) 방법을 사용하여 펄리틱 스틸 내 페라이트/세멘타이트 인터페이스(FCI)의 평면 내 전단 응답을 조사한다. 이는 비일치 불완전성의 부르지 벡터 크기와 코어 너비가 연성 거동를 지배하며, 이사체프 및 니어 바가리아츠키 구면에서 불완전성이 연성 거동을 유도하는 반면, 니어 피츠프레치는 모든 방향에서 전단 파손을 나타낸다.

ABSTRACT

Although the pearlitic steel is one of the most extensively studied materials, there are still questions unanswered about the interface in the lamellar structure. In particular, to deepen the understanding of the mechanical behavior of pearlitic steel with fine lamellar structure, it is essential to reveal the structure-property relationship of the ferrite/cementite interface (FCI). In this study, we analyzed the in-plane shear deformation of the FCI using atomistic simulation combined with extended atomically informed Frank-Bilby (xAIFB) method and disregistry analyses. In the atomistic simulation, we applied in-plane shear stress along twelve different directions to the ferrite/cementite bilayer for Isaichev (IS), Near Bagaryatsky (Near BA) and Near Pitsch-Petch (Near PP) orientation relationship (OR), respectively. The simulation results reveal that IS and Near BA ORs show dislocation-mediated plasticity except two directions, while Near PP OR shows mode II (in-plane shear) fracture at the FCI along all directions. Based on the xAIFB and disregistry analysis results, we conclude that the in-plane shear behavior of the FCI is governed by the magnitude of Burgers vector and core-width of misfit dislocations.

연구 동기 및 목표

• 평면 내 전단 응력 하에서 미세층상 펄리틱 스틸 내 페라이트/세멘타이트 인터페이스(FCI)의 기계적 거동을 이해하기.
• FCI에서 변형 메커니즘을 결정하는 데 비일치 불완전성의 역할을 명확히 하기.
• 이소이체프(IS), 니어 바가리아츠키(Near BA), 니어 피츠프레치(Near PP)의 세 가지 별개의 정렬 관계 간의 전단 거동을 비교하기.
• 비일치 불완전성 특성과 인터페이스의 연성 또는 파손 간의 구조-성질 관계 수립하기.

제안 방법

• 12개의 서로 다른 결정학적 방향으로 평면 내 전단 응력을 가한 페라이트/세멘타이트 이중층 구조에 대해 원자적 시뮬레이션을 수행하였다.
• 비일치 불완전성을 모델링하고 분석하기 위해 확장된 원자적으로 정보화된 프랭크-빌비(xAIFB) 방법을 사용하였다.
• 전단 하에서 원자 이동과 인터페이스 구조의 진화를 특성화하기 위해 이리스터리 분석을 적용하였다.
• 세 가지 정렬 관계(IS, Near BA, Near PP)에 대해 별도로 시뮬레이션을 수행하여 기계적 거동을 비교하였다.
• 비일치 불완전성의 부르지 벡터 크기와 코어 너비를 정량화하고 관측된 변형 방식과 관련지었다.
• 응력-변형률 거동을 분석하여 불완전성 기반 연성과 모드 II 파손을 구분하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정렬 관계(IS, Near BA, Near PP)는 페라이트/세멘타이트 인터페이스의 평면 내 전단 응답에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 비일치 불완전성 특성—특히 부르지 벡터 크기와 코어 너비—는 FCI에서 변형 메커니즘을 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 왜 니어 피츠프레치 정렬 관계는 다른 두 경우와 달리 모든 전단 방향에서 모드 II 파손을 나타내는가?
• RQ4 평면 내 전단 하중에서 불완전성 기반 연성과 인터페이스 파손 중 어느 쪽이 더 지배적인가?
• RQ5 이리스터리 패턴은 서로 다른 정렬 관계에서 관측된 기계적 거동과 어떻게 관련되는가?

주요 결과

• 이소이체프(IS) 및 니어 바가리아츠키(Near BA) 정렬 관계는 평면 내 전단 응력 하에서 불완전성 기반 연성을 나타내지만, 두 개의 특정 하중 방향을 제외하고는 그렇다.
• 니어 피츠프레치(Near PP) 정렬 관계는 적용된 전단 방향에 관계없이 페라이트/세멘타이트 인터페이스에서 모드 II(평면 내 전단) 파손을 겪는다.
• 비일치 불완전성의 부르지 벡터 크기와 코어 너비는 인터페이스에서 연성과 파손 간의 전이를 지배하는 핵심 요소이다.
• 이리스터리 분석은 정렬 관계에 따라 인터페이스 구조가 전단 하에서 다르게 진화함을 확인하였으며, 높은 이리스터리가 연성 변형과 관련이 있다.
• xAIFB 방법은 비일치 불완전성의 구조를 성공적으로 모델링하고, 불완전성 코어 특성에 기반해 관측된 기계적 거동을 설명하였다.
• 이 연구는 비일치 불완전성의 미세구조와 인터페이스 기계적 거동 간의 직접적인 연관성을 확립하였으며, 펄리틱 스틸의 인터페이스 설계를 위한 예측 프레임워크를 제공한다.