Deformation Behavior of Nanoindentation on Magnesium Single Crystal

Abstract

Magnesium is lightest of all the commonly used structural metals, however, Mg has limited field of application because of the difficulty in plastic deformation at room temperature. It is known to be the limited slip system of HCP crystal structure lack the uniform plastic deformation. In the last several decades, the importance of deformation twinning in plastic deformation of HCP metals and alloys have been well recognized and reviewed in numerous publications to explain the intricate interrelationships between slip, twinning, and fracture. By introducing nanomechanical approach, the deformation mechanism such as twinning under nano-scale indentation was investigated. In this study, magnesium single crystal fabricated by modified Bridgman method was prepared for various indenting conditions. Nanoindentation on the single crystal with three different tips were performed on the (0001), (11-20) crystallographic orientation planes. Load-displacement curve was analyzed for hardness and elastic response in each case. Following this, focused ion beam milled cross-section under the indented site was sampled out for further analysis by transmission electron microscopy. Tensile twin tip was observed in both cases. Microstructure image under the indented region was observed to correlate the L-d curve analysis along with the surface topology data to discuss the harness of magnesium.

마그네슘은 가장 가벼운 금속구조재료 중 하나로 자동차나 전자기기 등 여러 분야에서 활용이 되고 있다. 보유한 장점에 반해 전단 시스템의 부족으로 소성변형, 즉 성형성에 문제가 제기되고 있다. 이러한 성형성 개선을 위해 집합조직 연구들이 활발히 진행되고 있으며, 또한 다른 방향으로는 전단과 쌍정에 대한 마그네슘 고유의 변형거동에 대해 단결정을 이용한 여러 연구들도 진행되어 왔다. 본 연구는 마그네슘 고유 변형거동을 알아보는 방법으로 나노미케니컬한(Nanomechanical) 관점에서 접근을 하였다. Biridgman 방법으로 제조된 마그네슘 단결정을 이용하여 (0001)면과 (11-20)면을 시편으로 준비한 후, 각 두 면에 대해 나노 압입 시험을 하였다. 압입자의 모양을 구형, 벌코비치(Berkovich), 정육면체 모서리형으로 바꿔 가며 실험을 했으며, 이 중 벌코비치 압입자로 실험한 시편의 수직 아래 단면은 투과전자현미경을 통해 그 미세조직을 관찰하였고 두 방위면에 대한 압입 모두 {10-12}<10-11>쌍정이 발견되었다. 압입자의 모양에 따라 결정방위에 따른 경도 경향이 다르게 나왔으며 이는 압입자 주의에 생기는 파일업(Pile-up) 현상에 기인한 것임을 알 수 있었다.