multiscale-cmse

연구분야

항공우주/구조재료

1. High Entropy Alloy의 설계 및 기계적 특성 예측

HEA는 주요원소로 특정할 수 없는 동일 분율의 다수의 요소로 구성되어 있으므로 높은 구성 엔트로피로 인하여 금속간 화합물의 형성이 억제되고, 단상을 유지하게 된다.
이러한 구조적 특수성은 격자 왜곡에 의한 높은 강도, 초합금보다 우수한 고온 강도 및 구조적 안정성을 나타내게 할 뿐 만 아니라 낮은 확산 속도에 따른 크리프 저항성, 높은 변형률 민감도 역시 유도하게 된다.

또한, 조성에 따라 다르지만 대표적인 HEA 중 하나인 Cantor 합금은 낮은 적층결함에너지를 지니게 되어 극저온에서의 변형 쌍정 유발을 통해 우수한 강도와 연성을 가지게 된다. 위와 같은 특성으로 인해, HEA는 다기능 재료 및 차세대 구조용 소재로 각광 받고 있다.

발전방향	금에 대한 이론이 정립되어 있지 않음으로 설계 시 많은 시행착오 요구 → 상평형 열역학, 원자스케일 시뮬레이션, 연속체 역학을 결합한 Multi-physics, Full-scale 전산설계기술로 해결 가능 다양한 환경 조건에서도 우수한 기계적 특성을 갖도록 하려는 함.

최종목표	멀티스케일 시뮬레이션 기반 고엔트로피 합금의 전산설계기술 개발 → 설계된 합금의 상용
연구현황	A. 설계 및 메커니즘 규명 i. 열역학 계산을 통한 합금설계 기술 확보 열역학 database 확보1 →알려지지 않은 fcc 또는 bcc 단상을 가진 새로운 합금 예측 열역학 계산을 통해 예측한 조성을 바탕으로 고엔트로피 합금 개발1 →W.-M. Choi et al, Met. Mater. Inter. 23, 839-847 (2017.09) ii. 분자동력학을 통한 변형 메커니즘 규명 Interatomic potential 개발을 통해 분자 동력학 계산 능력 확보2 분자 동력학 통해 인장 시 쌍정(twin)이 관찰 되며, 항복 강도에 미치는 영향 분석 → 기존 합금보다 우수한 기계적 성질을 갖는 합금 개발3. 2. W.-M. Choi, Y. Kim, D. Seol, B.-J. Lee, Compu. Mater. Sci. 130, 121-129 (2017.04). 3. W.-M. Choi, Y.H. Jo, S.S. Sohn, S. Lee, B.-J. Lee, NPJ Compu. Mater. 4, 1-9 (2018.01) iii. 분자동력학을 통한 조사 손상 메커니즘 규명 분자 동력학 통해 고엔트로피 합금의 조사 손상 내성 예측 B. 기계적 특성 예측 다수의 HEA 샘플을 한정된 시간 내에 직접 평가하는 데에는 다음의 한계점이 존재 다양한 geometry, dimension을 가지는 시편의 기계적 특성 측정을 위해 많은 시간이 소요 공정 도중 형성되는 외부요인에 의해 원래의 실험결과와 다른 결과 발생 응력, 변형률, 전위밀도 등 특성 분포 분석에 어려움이 존재 →실험에 소요되는 노력, 시간 및 비용을 최소화한 최적화 설계를 위해 유한요소해석법 적용이 필요 고엔트로피합금의 기계적 특성을 예측하고 우수한 물성을 가지는 합금을 설계하며, 복잡한 형상을 가진 부품의 기계적 특성 예측 및 가공 공정 해석을 위해 미세조직적 인자에 대한 분석을 통해, 미세조직 기반 유한요소해석을 실시할 수 있다. 상기 미세조직 기반 모델링을 실시할 경우, 위의 결과와 같이 고엔트로피 합금의 기계적 특성을 예측1. 추후 합금 설계 시 모델링을 기반으로한 사전 결과를 제시하는데에 매우 중요 1. M.J. Jang et al. Mater. Res. Lett. 5, 350 (2017).

2. 마그네슘 합금의 상온 성형성 메커니즘 규명

Mg

Mg은 가장 가벼운 구조용 금속 원소로, 소재 경량화에서 대표적으로 거론되는 원소
Mg 합금을 가격 경쟁력을 갖춘 구조용 소재로 활용할 수 있기 위해서는 상온 성형성을 개선하는 것이 핵심 이슈

발전방향	순수한 Mg에 대하여 Large-scale atomistic simulation을 이용하여 stress-strain curve를 계산한 결과 → Non-basal slip 계 부족 → 합금의 낮은 성형성 최근 이트륨(Y) 등 고가의 희토류 원소 첨가 시 연성과 성형성 개선1 → 성형성 개선되는 원인 규명 및 값싼 대체 원소를 찾는 것이 이슈 1. S. Sandlöbes et al., Acta Mater. 59, 429 (2011).
최종목표	원자단위 전산모사(First-principles calculation & Large-scale atomistic simulation)를 이용하여 고성형성 Mg 합금 설계 기술 개발
연구현황	A. 이트륨(Y) 첨가 시 slip 활성 이트륨 (Y) 첨가 시 slip 간 활성 stress가 서로 감소 됨. → Pyramidal II slip 활성 → 성형성 향상2 2. K.-H. Kim, J.B. Jeon, N.J. Kim, B.-J. Lee, Scripta Mater. 108, 104-108 (2015.11) B. Al의 미량 첨가 시 slip 활성 보통 알루미늄(Al)은 3wt.% 정도 첨가 → 성형성 감소 미량의 알루미늄 첨가 → Pyramidal II slip 활성 → 성형성 향상3 3. K.-H. Kim et al. Mater. Sci. Eng. A, 715, 266-275 (2018.02). C. 고성형성 Mg 합금 개발 시도 Non-basal slip 활성화 시키는 방법을 이용하여 고성형성 Mg 합금에 대해 개발 가능

발전방향

순수한 Mg에 대하여 Large-scale atomistic simulation을 이용하여 stress-strain curve를 계산한 결과 → Non-basal slip 계 부족 → 합금의 낮은 성형성
최근 이트륨(Y) 등 고가의 희토류 원소 첨가 시 연성과 성형성 개선1 → 성형성 개선되는 원인 규명 및 값싼 대체 원소를 찾는 것이 이슈

1. S. Sandlöbes et al., Acta Mater. 59, 429 (2011).

최종목표

원자단위 전산모사(First-principles calculation & Large-scale atomistic simulation)를 이용하여 고성형성 Mg 합금 설계 기술 개발

연구현황

A. 이트륨(Y) 첨가 시 slip 활성: 이트륨 (Y) 첨가 시 slip 간 활성 stress가 서로 감소 됨. → Pyramidal II slip 활성 → 성형성 향상2; 2. K.-H. Kim, J.B. Jeon, N.J. Kim, B.-J. Lee, Scripta Mater. 108, 104-108 (2015.11)

B. Al의 미량 첨가 시 slip 활성: 보통 알루미늄(Al)은 3wt.% 정도 첨가 → 성형성 감소; 미량의 알루미늄 첨가 → Pyramidal II slip 활성 → 성형성 향상3; 3. K.-H. Kim et al. Mater. Sci. Eng. A, 715, 266-275 (2018.02).

C. 고성형성 Mg 합금 개발 시도: Non-basal slip 활성화 시키는 방법을 이용하여 고성형성 Mg 합금에 대해 개발 가능

3. 전기 강판 {100} Texture

전기 강판 {100} Texture

전기강판은 전기자동차, 가전 및 전기 제품의 고효율 모터에 사용되는 고부가가치 철강 소재.
전기강판의 성능은 집합 조직에 의해 결정되며 특히 {100} 집합조직의 발달의 핵심.
하지만 아직까진 {110} 집합조직이 많이 나타나고 있어서 이에 대한 문제 해결이 필요함.

발전방향	어떻게 {100} 집합조직을 발달 시킬 수 있는 가 → 전산 기법을 통해 그 원인 규명
최종목표	A. 인(P) 첨가를 통한 표면 에너지 변화 Pure bcc-Fe 표면에 P가 편석이 되면 표면에너지 변화1 1. W.-S Ko, et al, Scripta Mater. 68, 329-332 (2013.03). B. Phase field model을 통해 Texture 변화 예측 Phase-field 시뮬레이션을 통해 표면 에너지 변화로 집합조직을 제어할 수 있다는 타당성을 확보2 2. K.-M. Kim, H.-K. Kim, J. Park, J.S. Lee, S.G. Kim, N.J. Kim and B.-J. Lee, Acta Mater. 106, 106-116 (2016.03). C. 실험을 통해 전산 기법으로 예측 된 결과와 비교 실제 P 첨가 시 {100} 방향의 texture가 많아짐을 확인.

발전방향

어떻게 {100} 집합조직을 발달 시킬 수 있는 가 → 전산 기법을 통해 그 원인 규명

최종목표

A. 인(P) 첨가를 통한 표면 에너지 변화

Pure bcc-Fe 표면에 P가 편석이 되면 표면에너지 변화1

1. W.-S Ko, et al, Scripta Mater. 68, 329-332 (2013.03).

B. Phase field model을 통해 Texture 변화 예측: Phase-field 시뮬레이션을 통해 표면 에너지 변화로 집합조직을 제어할 수 있다는 타당성을 확보2; 2. K.-M. Kim, H.-K. Kim, J. Park, J.S. Lee, S.G. Kim, N.J. Kim and B.-J. Lee, Acta Mater. 106, 106-116 (2016.03).

C. 실험을 통해 전산 기법으로 예측 된 결과와 비교: 실제 P 첨가 시 {100} 방향의 texture가 많아짐을 확인.