[논문 리뷰] Deformation mechanisms of Mg-Ca-Zn alloys studied by means of micropillar compression tests

Jingya Wang, Yiwen Chen외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 02.

Magnesium Alloys: Properties and Applications참고 문헌 68인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 다양한 결정학적 정렬을 가진 단일결정 마이크로피라미드를 이용한 압축 시험을 통해 Mg-Ca-Zn 합금의 변형 메커니즘을 조사한다. Ca와 Zn 용매 원자가 기저면 미끄럼에 대한 임계 응력(크리티컬 리졸브드 시어 스트레스, CRSS)을 약 13.5 MPa로 크게 증가시키며, 이는 쌍대 성장(임계 응력 약 37 MPa)을 억제하고 교차 미끄럼 및 삼면체 미끄럼을 촉진함으로써 플라스틱 이방성은 감소시키고 연성 및 형성성을 향상시킨다.

ABSTRACT

The effect of Ca and Zn in solid solution on the critical resolved shear stress (CRSS) of basal slip, tensile twinning and pyramidal slip in Mg alloys has been measured through compression tests on single crystal micropillars with different orientations. The solute atoms increased the CRSS for basal slip to ~ 13.5 MPa, while the CRSS for pyramidal slip was lower than 85 MPa, reducing significantly the plastic anisotropy in comparison with pure Mg. Moreover, the CRSSs for twin nucleation and growth were very similar (~ 37 MPa) and the large value of the CRSS for twin growth hindered the growth of twins during thermo-mechanical processing. Finally, evidence of prismatic slip and cross-slip between basal and prismatic dislocations was found. It is concluded that the reduction of plastic anisotropy, the activation of different slip systems and cross-slip and the weak basal texture promoted by the large CRSS for twin growth are responsible for the improved ductility and formability of Mg-Ca-Zn alloys.

연구 동기 및 목표

• Ca와 Zn 용매 원자가 Mg 합금의 변형 메커니즘에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 용매 원자가 기저면 미끄럼, 피라미드 미끄럼, 그리고 쌍대에 대한 임계 응력(CRSS)에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• Mg-Ca-Zn 합금에서 비기저면 미끄럼계의 활성화 및 교차 미끄럼을 조사하기 위해.
• 마이크로스케일에서 관찰된 향상된 연성과 형성성의 기전을 설명하기 위해.

제안 방법

• Mg-Ca-Zn 합금의 단일결정 마이크로피라미드를 제어된 결정학적 정렬 상태에서 압축 시험을 수행하였다.
• 기저면, 삼면체, 피라미드 미끄럼계를 탐색하기 위해 특정 정렬을 가진 시편을 제작하였다.
• 하중-변위 곡선에서 기저면 미끄럼, 피라미드 미끄럼, 쌍대 핵형 및 성장을 위한 CRSS 값을 추출하였다.
• 시험 후 미세구조 분석을 통해 미세결정의 불규칙한 미끄럼계와 기저면 및 삼면체 미세결정 간의 교차 미끄럼 증거를 확인하였다.
• 비교 분석을 통해 용매 원자(Ca와 Zn)가 CRSS 및 텍스처 변화에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Ca와 Zn 용매 원자가 Mg-Ca-Zn 합금에서 기저면 미끄럼에 대한 임계 응력(CRSS)에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 피라미드 미끄럼에 대한 CRSS는 얼마이며, 이는 이 합금에서 기저면 미끄럼과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ3 용매 원자가 쌍대 핵형 및 쌍대 성장에 대한 CRSS에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 기저면 및 삼면체 미세결정 간의 교차 미끄럼에 대한 증거는 무엇이 있는가?
• RQ5 이러한 변형 메커니즘이 함께 작용하여 플라스틱 이방성을 어떻게 감소시키고 형성성을 향상시키는가?

주요 결과

• Ca와 Zn의 고용용체 강화 작용으로 인해 Mg-Ca-Zn 합금의 기저면 미끄럼에 대한 CRSS는 약 13.5 MPa로 증가하였다.
• 피라미드 미끄럼에 대한 CRSS는 85 MPa 이하로 측정되어 이 변형 방식에 대해 상대적으로 낮은 저항성을 나타내었다.
• 쌍대 핵형 및 쌍대 성장에 대한 CRSS는 모두 약 37 MPa로 측정되었으며, 특히 쌍대 성장에 대한 높은 값이 쌍대 확산을 강하게 억제하였다.
• <a> 삼면체 미끄럼과 기저면 및 삼면체 미세결정 간의 교차 미끄럼에 대한 실험적 증거가 관찰되었다.
• 플라스틱 이방성 감소, 다수의 미끄럼계 활성화, 쌍대 억제의 조합이 Mg-Ca-Zn 합금에서 향상된 연성과 형성성의 기초가 되었다.