A molecular dynamics study to improve the formability of Mg

Abstract

Improving room temperature ductility and formability is a bottleneck for a wide industrial application of Mg alloys, but even the mechanism for the effect of alloying elements on the deformation behavior of Mg is not clearly known. Here, using a molecular dynamics simulation based on 2NN MEAM interatomic potential, the role of alloying elements in improving the room temperature ductility of Mg alloys is clarified. Solute atoms have stronger dislocation binding tendency and solid solution strengthening effect on basal <a> slip planes than on non-basal <c+a> slip planes, reduce the anisotropy in the critical resolved shear stress between slip systems, and eventually improves the room temperature ductility. Any solute elements with a size difference from Mg can improve the room temperature ductility, once the alloying amount is carefully controlled. By proving the validity of the prediction experimentally, a new guide for designing Mg alloys with improved room temperature ductility and formability is provided.

마그네슘 합금의 상용화를 위해서는 상온 연성 및 성형성의 향상이 요구되나, 변형거동에 미치는 합금원소의 영향은 명확하게 밝혀진 바가 없다. 본 연구에서는, 2NN MEAM 원자간 퍼텐셜을 이용한 분자동역학 전산모사 기법을 통해 마그네슘의 상온 연성 향상에 미치는 합금원소의 영향을 규명하였다. 합금원소는 전위와의 결합을 통해 슬립계의 고용강화를 유발하며, 비저면 슬립계에 비해 저면 슬립계에서 더 강한 결합력을 보이며 슬립계 간 임계구동응력의 편차를 낮추며, 궁극적으로 다양한 슬립계의 작동을 용이하게 하여 상온 연성을 향상시킨다. 마그네슘과 크기 차이를 갖는 모든 합금원소는 조성의 조절을 통해 상온 연성을 향상시킬 수 있으며, 이는 실험을 통해 그 타당성이 입증되었다. 본 연구의 결과는 상온 연성 및 성형성이 향상된 마그네슘 합금을 설계하는 새로운 지표가 될 수 있을 것이다.