[논문 리뷰] Revealing the origins of shear band activity and boundary strengthening in polygrain-like architected materials

Chen Liu, Jedsada Lertthanasarn외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 04.

Cellular and Composite Structures참고 문헌 28인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 다입자 유사 구조재료에서의 전단대 활성화 및 경계 강화가 단일 결정체 유사 메타결정구조의 기둥 붕괴에서 기인하고, 전단대가 입자 경계를 통해 전파된다는 것을 밝혀냈다. 연구는 경계 유형과 공위상성이 강화 효과를 지배함을 규명하여, 제어된 변형 경로를 갖는 고강도·손상 내성 메타결정구조의 설계를 위한 기계적 기반을 제공한다.

ABSTRACT

A recent report on successful employment of the grain boundary strengthening to design extraordinarily damage-tolerant architected materials (i.e. meta-crystals) necessitates fundamental studies to understand the underlying mechanisms responsible for the toughening and high performance of meta-crystals. Such understanding will enable greater confidence and control in developing high performing and smart architected materials. In this study, buckling of lattice struts in single crystal-like meta-crystals was firstly analysed to reveal its role in shear band activities. Shear band systems of singly oriented meta-crystals were also identified to provide a solid basis for predicting and controlling the shearing behaviour in polygrain-like meta-crystals. The boundary-induced strengthening effects in meta-crystals was found to relate to the boundary type and coherency as they govern the transmission of shear bands across meta-grain boundaries. The obtained insights in this study provide crucial knowledge in developing high strength architected materials with great capacity in controlling the mechanical strength and damage path.

연구 동기 및 목표

• 메타결정구조에서 입자 경계 강화의 기본 메커니즘을 이해하는 것.
• 단일 결정체 유사 메타결정구조에서 기둥 붕괴가 전단대 활성화를 유도하는 역할를 조사하는 것.
• 단일 정렬 메타결정구조에서 전단대 체계를 규명하여 다입자 유사 구조에서의 예측적 제어를 가능하게 하는 것.
• 경계 유형과 공위상성이 전단대 전파 및 강화 효과에 미치는 영향을 규명하는 것.
• 제어된 변형 경로를 갖는 고강도·손상 내성의 구조적 재료 설계 원칙을 제공하는 것.

제안 방법

• 단일 결정체 유사 메타결정구조에서 기둥 붕괴를 분석 및 수치 모델링하여 전단대 핵형성에 기여하는 바를 평가하는 것.
• 기계적 거동 분석을 활용하여 균일하게 정렬된 메타결정구조에서 전단대 체계를 식별하고 특성화하는 것.
• 다양한 경계 유형과 공위상성 조건에서 메타입자 경계를 둘러싸는 전단대 전파를 체계적으로 조사하는 것.
• 미세구조 분석을 활용하여 경계 특성과 기계적 성능 및 에너지 소산 간의 상관관계를 규명하는 것.
• 국소적 변형 메커니즘과 다입자 유사 구조재료에서의 거시적 강화 현상 간의 메커니즘적 프레임워크를 수립하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 결정체 유사 메타결정구조에서 기둥 붕괴는 어떻게 전단대 활성화를 유도하고 영향을 미치는가?
• RQ2 단일 정렬 메타결정구조에서 지배적인 전단대 체계는 무엇이며, 다입자 유사 시스템의 거동을 설명하는 데 어떻게 기여하는가?
• RQ3 경계 유형과 공위상성은 메타입자 경계를 둘러싸는 전단대 전파에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 메타결정구조에서 경계 유도 강화의 기계적 기원은 무엇인가?
• RQ5 전단대 전파와 입자 경계 상호작용을 어떻게 제어하여 재료의 강도와 손상 내성을 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 단일 결정체 유사 메타결정구조에서 기둥 붕괴는 전단대 핵형성과 활성화의 주요 원인이다.
• 균일하게 정렬된 메타결정구조에서 전단대 체계는 식별 가능하며, 다입자 유사 구조에서의 전단 거동 예측 기초가 된다.
• 경계 유도 강화는 경계 유형과 공위상성에 의해 강하게 영향을 받는다.
• 공위상 경계는 더 효과적인 전단대 전파를 촉진하여 에너지 소산 능력과 하중 지속 능력을 향상시킨다.
• 비공위상성 또는 오리엔테이션 오차가 있는 경계는 전단대 전파를 저해하여 국소적 응력 집중을 유도하고, 파손 기원이 될 수 있다.
• 이 연구 결과는 제어된 입자 경계 구조를 통해 고강도·손상 내성 메타결정구조 재료를 설계하기 위한 설계 관련 프레임워크를 확립한다.