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양자해석 및 분자동역학을 이용한 금속나노소재의 소성연구 원문보기

기계저널 : 大韓機械學會誌, v.57 no.6, 2017년, pp.42 - 46  

유승화 (KAIST 기계공학과) ,  김재민 (KAIST 기계공학과) ,  이상륜 (KAIST 기계공학과)

초록
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이 글에서는 거시소재와 나노소재의 소성 거동이 상이한 이유에 대해 간략히 논하고, 전산역학을 이용한 금속나노소재의 소성 변형 메커니즘 연구를 면심입방 소재의 예를 통해 소개하고자 한다.

AI 본문요약
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문제 정의

  • 또한, 이렇게 하나의 전위가 생성되고 이동되는 과정에 의해 생기는 소성변형이 소재의 절대적인 크기에 비해서 무시할 수 없으므로 항복 이후의 유동응력(flow stress) 영역에서 전위의 생성 및 이동에 의해 간헐적으로 상당한 크기의 응력 감소(stress drop) 현상이 관측된다. 이 글에서는 상대적으로 분석이 쉽고 정립이 잘 되어 있는 면심입방 구조 소재[그림 1(c)]의 소성이라는 구체적인 예를 통해 전산역학 해석 기법 및 구체적인 사례를 소개하고자 한다.
  • 나노소재는 높은 부피 대비 표면 비율 및 원자로 인한 불연속성을 무시할 수 없는 작은 크기로 인해, 동일한 원소 및 형상으로 만들어졌음에도 불구하고 크기가 줄어듦에 따라 소재의 기계적 특성이 달라진다. 이전 글인 전산나노역학 개괄에 이어 이 글에서는 전산역학 해석기술을 통해 도출된 면심입방 금속 나노선의 변형 메커니즘을 정리하여, 나노소재의 소성 변형 거동에 대한 연구에 대해 상술하고자 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
일반적으로 소재의 미시구조 어떤 구조로 나눌 수 있는가? 일반적으로 소재의 미시구조는 그림 1(a)와 같이 결정(crystalline)과 비정질(amorphous) 구조로 나눌 수 있다. 대다수의 금속은 많은 원소를 섞어서 급격히 냉각시켜 금속유리상태(metallic glass)를 만들지 않는 이상 결정구조로 이루어져 있고, 원자들은 서로 간의 방위(orientation)에 따라 세기가 크게 변하지 않는 금속결합으로 이루어져 있다.
거시 소재는 결정 성장 및 가공공정에 따라서 많은 전위를 포함하는데, 크기가 나노미터에 가까울 수록 전위밀도가 달라지는 이유는? 거시 소재는 결정 성장 및 가공공정에 따라서 많은 전위를 포함하게 되고, 전위가 활주할 수 있는 외부 응력을 부여하면 전위의 활주에 의한 소성 변형 거동이 나타나게 된다. 그러나 소재의 크기가 나노미터에 가까워질수록 부피에 대한 표면의 비율이 급격히 증가하고 대상 재료의 내부에 존재하는 전위 밀도가 달라지게 된다. 외부응력이 전위의 움직임에 미치는 힘 및 전위와 전위 사이의 힘은 전기장이 전하에 미치는 힘 및 전하와 전하 사이의 힘과 수학적인 유사성(analogy)이 있다.
금속재료가 취성이 아닌 연성을 띄는 이유는? 결정 구조를 지닌 거시 소재의 항복은 슬립 면(slip plane) 상에 있는 모든 원자들의 결합을 한꺼번에 끊을 필요없이 전위(dislocation)의 슬립 방향(slip direction)을 따라 존재하는 단일선 상의 원자결합을 끊는 낮은 에너지만 필요한 전위의 이동에 의해 야기된다[그림 1(b)]. 공유결합 혹은 이온결합으로 이루어진 결정재료의 경우 상온에서 전위의 이동이 어려워서 취성(brittle)을 띄는 경우가 많은 반면 원자결합의 세기가 방위에 따라 크게 달라지지 않는 금속결합으로 이루어진 대다수 금속은 원자 단위의 슬립이 용이하여 전위의 이동이 수월하기 때문에 연성(ductile)을 띄게 된다. 면심입방(face-centered cubic) 혹은 체심입방(body-centered cubic)결정 구조로 이루어진 대다수 금속소재는 전위가 결정 내에서 움직이는 자유도를 이해하면 소성 변형을 모사할 수 있다.
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