[논문 리뷰] Over the shear paradigm

Cyril Cayron|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 23.

Microstructure and mechanical properties참고 문헌 102인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 변형 편향 및 마르텐사이트 변환과 같은 변성 전이의 결정학적 모델에서 오랫동안 지속된 전단 파aradigm을 도전하며, 각도 변형을 기반으로 하는 새로운 프레임워크를 제안한다. 경직된 경공 가정 하에 원자 궤적, 격자 변형 및 재배열을 단일 각도 매개변수의 해석 함수로 모델링함으로써, 단순 전단 및 디스locations를 통한 메커니즘에 비해 더 물리적으로 일관된 대안을 제공한다.

ABSTRACT

Deformation twinning and martensitic transformations are displacive transformations; they are defined by high speed collective displacements of the atoms, the existence of a parent/daughter orientation relationship, and plate or lath morphologies. The current crystallographic models of deformation twinning in metals are based on the 150 year-old concept of simple shear. For martensitic transformations, a generalized version of simple shear called invariant plane strain takes into account the volume change; it is associated with one or two simple shears in the phenomenological theory of martensitic crystallography built more than 60 years ago. As simple shears would involve unrealistic stresses, dislocation/disconnection-mediated versions of the usual crystallographic models of displacive transformations have been developed over the last decades. However, fundamental questions remain unsolved. How do the atoms move? How could dislocations be created and propagate in a coordinated way at the speed of sound? In order to solve these issues an approach that is not based on simple shear nor on dislocation/disconnection has been applied to different displacive transformations over the last years. It assumes that the atoms are hard-spheres, which permits for any specific orientation relationship to determine the atomics trajectories, the lattice distortion and shuffling (if required) as analytical functions of a unique angular parameter. The aim of the present paper is to give a brief historical review of the current models based on the shear concept and of their dislocation-mediated versions, and to introduce the new paradigm of angular distortion. Examples will be taken by using some recent publications. The possibilities offers by this approach in mechanics and thermodynamics are briefly discussed.

연구 동기 및 목표

• 변형 편향 및 마르텐사이트 변환을 모델링하는 데 있어 고전적 전단 파라다임의 한계를 비판적으로 평가하는 것.
• 변성 전이에서 초음속 속도로 움직이는 원자 운동 및 디스locations 역학에 대한 해결되지 않은 질문을 다루는 것.
• 단순 전단 또는 디스locations 메커니즘에 의존하지 않는 새로운 결정학적 프레임워크를 개발하는 것.
• 경공 제약 조건 하에 단일 각도 매개변수의 함수로서 원자 궤적 및 격자 변형에 대한 해석적 해를 제공하는 것.
• 역학 및 열역학에 기반한 새로운 변성 전이 결정학의 파라다임을 마련하는 것.

제안 방법

• 원자가 경직된 경공으로 행동함을 가정하여 원자 운동의 기하학적 제약 조건을 정의한다.
• 주어진 정렬 관계에 대해 원자 궤적, 격자 변형 및 재배열을 단일 각도 매개변수의 해석 함수로 유도한다.
• 각도 변형 모델을 변형 편향 및 마르텐사이트 변환을 포함한 다양한 변성 전이에 적용한다.
• 경공 모델을 사용하여 단순 전단 및 디스locations를 통한 메커니즘과 관련된 비물리적인 응력을 제거한다.
• 기존의 현상학적 프레임워크에 새로운 모델을 통합하여 관측된 형태와 정렬 관계와의 일관성을 평가한다.
• 각도 변형 접근법을 고전적 전단 기반 모델 및 디스locations를 통한 이론과 비교하여 물리적 타당성에서의 우월성을 부각시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 변성 전이에서 단순 전단 개념에 의존하지 않고 원자 운동을 어떻게 모델링할 수 있는가?
• RQ2 변형 편향 및 마르텐사이트 변환 중 원자 궤적을 지배하는 물리적 및 기하학적 제약 조건은 무엇인가?
• RQ3 단일 각도 매개변수로 관측된 정렬 관계와 일관된 방식으로 격자 변형 및 재배열을 완전히 기술할 수 있는가?
• RQ4 각도 변형 모델은 변성 전이에서 디스locations가 음속으로 움직이는 역설을 어떻게 해결하는가?
• RQ5 전단 기반 모델을 각도 변형 프레임워크로 대체함으로써 열역학적 및 기계적 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 각도 변형 모델은 임의의 정렬 관계에 대해 원자 궤적, 격자 변형 및 재배열을 단일 각도 매개변수의 함수로 해석적 표현을 제공한다.
• 이 모델은 단순 전단과 관련된 비물리적인 높은 응력이 필요 없음을 보여주며, 원자 운동에 대해 더 현실적인 기술을 제공한다.
• 기하학적 제약 조건만으로도 변형 편향 및 마르텐사이트 변환에서 판 또는 래스터 형태의 형성이 설명된다.
• 이 접근법은 관측된 모체/형제 정렬 관계와 일관되며, 다양한 유형의 변성 전이에 걸쳐 통합된 프레임워크를 제공한다.
• 이 모델은 디스locations를 통한 메커니즘을 도입하지 않고도 변성 전이의 기계적 및 열역학적 메커니즘을 이해하는 데 새로운 길을 열어준다.
• 이 프레임워크는 일반화 가능하며, 최근 논문에 인용된 사례들을 통해 다양한 재료 및 변환 유형에 적용 가능함을 입증하였다.