[논문 리뷰] Transformation-mediated Plasticity in CuZr based Metallic Glass Composites: A Quantitative Mechanistic Understanding

Baoan Sun, Kaikai Song외 5명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 09.

Metallic Glasses and Amorphous Alloys참고 문헌 45인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 Eshelby 이론을 기반으로 한 정량적 미세기계학 모델을 제시하여 CuZr 기반 금속 유리 복합재에서 변형화된 연성 거동을 설명한다. 이 모델은 B2 CuZr 입자 내의 마르텐사이트 변형이 탄성 응력장을 유도하여 비틀림 고리(shear bands)를 안정화하고 일정한 피로 강화를 가능하게 함을 밝혀내며, 이론적 예측은 삼중의 비틀림 고리 형태와 변형률 강화 거동을 실험적으로 관찰한 결과와 일치한다.

ABSTRACT

In this paper, we present a thorough stress analysis of the Cu-Zr metallic-glass composite with embedded B2 particles subject to a martensitic transformation. Within the framework of the Eshelby theory, we are able to explain, in a quantitative manner, (1) the formation of three types of shear bands with distinct morphologies as observed experimentally in the severely deformed Cu-Zr metallic-glass composite and (2) the work hardening ability of the Cu-Zr metallic-glass composite as related to the coupled effects of elastic back stress and elastic mismatch caused by the martensitic transformation. Furthermore, we also discuss the issues about the stress affected zone of the individual B2 phase and the stability of the crystalline-amorphous interface. Given the general agreement between the theoretical and experimental findings, we believe that the outcome of our current work can lead to a deeper understanding of the transformation-induced plasticity in the Cu-Zr based metallic glass composites, which should be very useful to the design of the metallic-glass composites with improved ductility.

연구 동기 및 목표

• CuZr 기반 금속 유리 복합재에서 변형하는 B2 상 주위의 응력 재분포에 대한 정량적 이해 부족 문제를 해결하기 위해.
• 심한 가공 조건에서 관찰된 세 가지의 서로 다른 비틀림 고리 형태를 설명하기 위해.
• 마르텐사이트 변형으로 인한 탄성 배향 응력과 탄성 불일치가 유도하는 피로 강화 거동을 정량화하기 위해.
• 개별 B2 상 주위의 응력 영향 영역과 결정상-비정질계면의 안정성 분석하기 위해.

제안 방법

• B2 CuZr 입자 내 마르텐사이트 변형 중 발생하는 고유변형에 의해 유도된 탄성 변형 및 응력장을 모델링하기 위해 Eshelby 이론을 적용하기 위해.
• 고유변형 텐서 분해 및 좌표 변환을 통해 기질 내 제약된 변형 및 응력장을 명시적으로 유도하기 위해.
• B2 상의 부피 및 형상 변화를 표현하기 위해 순수 비틀림 및 체적 변화 고유변형 성분을 사용하기 위해.
• 파oisson 비율, 전단 모odulus, 체적 모odulus 등의 재료 특성을 통합하여 응력 재분포 계산하기 위해.
• 주변 응력 성분과 방향에 따라 달라지는 고유변형 효과를 고려하여 유리 기질/결정상 계면에서의 압력 분포 분석하기 위해.
• 비틀림 고리 패tern과 변형률 강화 계수에 대한 이론적 예측을 실험 관찰 결과와 비교하여 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 B2 CuZr 입자 내 마르텐사이트 변형이 주변 금속 유리 기질의 응력 상태에 정량적으로 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 가공된 복합재에서 서로 다른 형태를 띠는 세 가지의 비틀림 고리가 형성되는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 변형으로 인한 탄성 배향 응력과 탄성 불일치가 관찰된 피로 강화 거동에 기여하는 방식은 무엇인가?
• RQ4 변형 중 개별 B2 입자 주위의 응력 영향 영역은 어떤 성질을 가지는가?
• RQ5 변형에 의해 유도된 응력장 하에서 결정상-비정질계면은 얼마나 안정적인가?

주요 결과

• 모델은 B2 상 변형에 기인한 방향성 응력장에 기반하여, 평행, 분지형, 굽은 형태의 세 가지 비틀림 고리 형태를 성공적으로 예측한다.
• 복합재의 피로 강화 계수는 탄성 배향 응력과 탄성 불일치의 조합 효과로 정량적으로 설명되며, 후자는 마르텐사이트 변형 중 부피 변화에 기인한다.
• B2 상 변형으로 인해 유리 기질에 작용하는 최대 압축 압력은 $ p_{ ext{max}}^{T} = K ilde{ ho}^{T}(1+ ho)(1-2 u)/(1- u) $ 에 도달하며, 여기서 $ ilde{ ho}^{T} $ 는 전단 고유변형이고 $ ho $ 는 주요 변형에 관련된 형상 매개변수이다.
• 응력장은 비등방적이며, 변형 응력의 방향이 외부 하중 방향에 대해 상대적으로 중요한 영향을 미치며, 변형 법선이 입자 중심에서 반사 방향 벡터와 일치할 때 최대 압축 응력이 발생한다.
• 모델은 B2 입자 주위에 안정된 응력 영향 영역을 예측하며, 응력장은 $ r^{-3} $ 과 $ r^{-5} $ 의 속도로 감쇠되며, 이는 타원형 포함체에 대한 Eshelby 해와 일치한다.
• 비틀림 고리 분포와 변형률 강화 거동에 대한 이론적 예측은 실험 데이터와 뛰어난 일치를 보이며, 이는 모델의 물리적 타당성과 예측 능력을 검증한다.