[논문 리뷰] The Paracrystalline Nature of Lattice Distortion in a High Entropy Alloy

Yu‐Tsun Shao, Renliang Yuan외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 11.

High Entropy Alloys Studies참고 문헌 5인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 FCC 고엔트로피 합금 Al0.1CrFeCoNi의 심한 격자 비정상성이 나노스케일의 비정상적인 다결정 블록과 변형된 나노클러스터에 기인하며, 이들의 상호작용이 다중 길이 척도에 걸쳐 분수형 변형장(fractal strain field)을 생성함을 밝혀냈다. 약 10⁴개의 패턴에 대한 전자 나노회절을 통해 저자들은 결정 대칭성, 변형 및 원자적 비정상성을 직접 영상화하고 맵핑하였으며, 이는 변형의 기원이 비정상적인 다결정성임을 확인함으로써, 변위자리 고정(dislocation pinning)에 의한 강화를 설명한다.

ABSTRACT

Severe lattice distortion is suggested for high entropy alloys (HEAs), however, evidence for such effect so far is lacking, and the nature of distortion is yet to be understood. Here, we reveal the distortion in an fcc HEA, Al0.1CrFeCoNi, by direct imaging using electron nanodiffraction. Information about crystal symmetry, lattice strain and atomic distortion are data-mined and mapped from many (~10^4) diffraction patterns. Application to the HEA reveals two embodiments of distortion, nm-sized mosaic blocks of paracrystals and strained nano-clusters. Their interaction gives rise to fractal strain field across nanoscopic to mesoscopic scales. As lattice distortion impedes dislocation motion and contributes to strengthening, results here thus provide critical insights about the complex nature of distortion in a HEA.

연구 동기 및 목표

• 고엔트로피 합금(HEAs)에서 심한 격자 비정상성의 본질을 밝히는 것. 이는 이론적으로 제기되었지만 직접 관찰된 바가 없었다.
• HEAs에서 격자 비정상성이 장거리 정기성에 기인하는지, 나노스케일의 무질서성에 기인하는지 규명하는 것.
• 단일 HEA에서 다중 길이 척도에 걸쳐 결정 대칭성, 격자 변형 및 원자적 비정상성을 맵핑하는 것.
• 나노미크로스코픽에서 메조스코픽 스케일에 이르기까지 HEAs 내 변형장의 기원과 구조적 의미를 조사하는 것.
• 비정상적인 다결정성 구조와 기계적 강화 사이의 직접적 연관성을 확립하는 것.

제안 방법

• 단일 Al0.1CrFeCoNi HEA 시료에서 약 10⁴개의 회절 패턴을 확보하기 위해 전자 나노회절(End)을 사용하였다.
• 각 회절 패턴에서 결정 대칭성, 격자 변형 및 원자적 비정상성을 추출하기 위해 데이터 마이닝 기법을 적용하였다.
• 변형 및 대칭성 파rameter의 공간 맵핑을 통해 나노스케일의 구조적 이질성을 시각화하였다.
• 통계적 및 공간 상관 분석 방법을 사용하여 나노미크로스코픽에서 메조스코픽 스케일에 이르기까지 변형장의 분수형 성격을 분석하였다.
• 패턴 분석 및 구조 모델링을 통해 비정상적인 다결정 블록과 변형된 나노클러스터의 존재를 규명하였다.
• 비정상적인 다결정 영역과 변형된 클러스터 간의 상호작용을 정량화하여 장거리 변형장을 설명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고엔트로피 합금에서 심한 격자 비정상성의 진정된 구조적 기원은 무엇인가?
• RQ2 HEAs에서 격자 비정상성은 장거리 정기적 비정상성에서 기인하는가, 아니면 나노스케일의 비정기적 무질서성에서 기인하는가?
• RQ3 모자색 블록과 변형된 클러스터와 같은 나노스케일의 구조적 특징이 전체 변형장에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 다중 길이 척도에서 HEAs의 변형장은 공간 상관성과 분수형 성격을 어떻게 가지는가?
• RQ5 비정상적인 다결정 영역과 나노클러스터 간의 상호작용은 기계적 성질에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• Al0.1CrFeCoNi HEA의 격자 비정상성은 주로 비정기적 배열을 가진 나노미터 크기의 비정상적인 다결정 블록에 기인한다.
• 변형된 나노클러스터는 국소적 격자 비정상성의 두 번째로 독립적인 원인으로 규명되었다.
• 비정상적인 다결정 블록과 변형된 클러스터 간의 상호작용이 나노미크로스코픽에서 메조스코픽 스케일에 이르기까지 분수형 변형장을 생성한다.
• 전자 나노회절에 의한 직접 영상 촬영을 통해 장거리 정기적 비정상성의 부재가 확인되었으며, 이는 비정상적인 다결정 모델을 지지한다.
• 변형장은 무작위가 아니라 자기 유사적인 공간 상관성을 보이며, 계층적인 구조 기원을 시사한다.
• 연구 결과는 HEAs에서 격자 비정상성이 비정상적인 다결정성임을 직접적인 증거로 제시하며, 이는 변위자리 고정과 강화 메커니즘을 설명한다.