[论文解读] The effect of the misfit dislocation on the in-plane shear response of the ferrite/cementite interface

Jaemin Kim, Keonwook Kang+1 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2018

Microstructure and Mechanical Properties of Steels参考文献 30被引用 3

一句话总结

本研究通过原子模拟与扩展原子信息Frank-Bilby（xAIFB）方法，探究了珠光体钢中铁素体/渗碳体界面（FCI）的平面内剪切响应。结果表明，应变错配位错的伯吉斯矢量大小和核心宽度决定了塑性行为：Isaichev与Near Bagaryatsky取向表现出位错介导的塑性变形，而Near Pitsch-Petch取向则在所有方向上均发生剪切断裂。

ABSTRACT

Although the pearlitic steel is one of the most extensively studied materials, there are still questions unanswered about the interface in the lamellar structure. In particular, to deepen the understanding of the mechanical behavior of pearlitic steel with fine lamellar structure, it is essential to reveal the structure-property relationship of the ferrite/cementite interface (FCI). In this study, we analyzed the in-plane shear deformation of the FCI using atomistic simulation combined with extended atomically informed Frank-Bilby (xAIFB) method and disregistry analyses. In the atomistic simulation, we applied in-plane shear stress along twelve different directions to the ferrite/cementite bilayer for Isaichev (IS), Near Bagaryatsky (Near BA) and Near Pitsch-Petch (Near PP) orientation relationship (OR), respectively. The simulation results reveal that IS and Near BA ORs show dislocation-mediated plasticity except two directions, while Near PP OR shows mode II (in-plane shear) fracture at the FCI along all directions. Based on the xAIFB and disregistry analysis results, we conclude that the in-plane shear behavior of the FCI is governed by the magnitude of Burgers vector and core-width of misfit dislocations.

研究动机与目标

• 理解细层状珠光体钢中铁素体/渗碳体界面（FCI）在平面内剪切应力作用下的力学响应。
• 阐明应变错配位错在决定FCI变形机制中的作用。
• 比较三种不同取向关系（Isaichev（IS）、Near Bagaryatsky（Near BA）和Near Pitsch-Petch（Near PP））下的剪切行为。
• 建立应变错配位错特征与界面塑性或断裂之间的结构-性能关系。

提出的方法

• 在平面内剪切应力作用下，对铁素体/渗碳体双层结构进行了原子模拟，剪切应力沿十二个不同的晶体学方向施加。
• 采用扩展原子信息Frank-Bilby（xAIFB）方法对界面处的应变错配位错进行建模与分析。
• 应用位错密度分析以表征剪切作用下原子位移及界面结构的演化。
• 分别针对三种取向关系（IS、Near BA、Near PP）进行模拟，以比较其力学响应。
• 量化应变错配位错的伯吉斯矢量大小与核心宽度，并将其与观察到的变形模式相关联。
• 分析应力-应变响应，以区分位错介导的塑性与II型断裂。

实验结果

研究问题

• RQ1 取向关系（IS、Near BA、Near PP）如何影响铁素体/渗碳体界面的平面内剪切响应？
• RQ2 应变错配位错特征（特别是伯吉斯矢量大小与核心宽度）在决定FCI变形机制中起什么作用？
• RQ3 为何Near Pitsch-Petch取向关系在所有剪切方向下均表现出II型断裂，而其他两种取向则不然？
• RQ4 在平面内剪切载荷下，位错介导的塑性与界面断裂各自占主导地位的程度如何？
• RQ5 位错密度图样如何与不同取向关系下的观察到的力学行为相关联？

主要发现

• Isaichev（IS）与Near Bagaryatsky（Near BA）取向关系在平面内剪切应力下表现出位错介导的塑性变形，但有两个特定加载方向除外。
• Near Pitsch-Petch（Near PP）取向关系在铁素体/渗碳体界面处无论施加何种剪切方向，均发生II型（平面内剪切）断裂。
• 应变错配位错的伯吉斯矢量大小与核心宽度是决定界面处塑性与断裂转变的关键因素。
• 位错密度分析证实，界面结构在剪切作用下的演化方式因取向关系而异，较高的位错密度与塑性变形相关。
• xAIFB方法成功模拟了应变错配位错结构，并基于位错核心特征解释了观察到的力学行为。
• 本研究建立了应变错配位错微观结构与界面力学响应之间的直接联系，为珠光体钢界面设计提供了可预测的框架。