초록 ▼

연구의 목적 및 내용
○ 멀티스케일 전산모사기법을 활용한 철강재료의 미세조직 및 물성 예측 computer program의 개발과 이를 활용한 철강공정 해석 및 설계 기술 개발
(1) Ab initio와 MD를 활용하여 원자단위에서의 철강 기초 데이터를 확보
(2) 확보한 기초데이터를 토대로, phase field 기법을 활용하여 상변태 거동 및 미세조직의 형상, 분포를 예측하는 엄밀 상변태 모델을 개발
(3) Phase field 기법, 전위동력학 및 결정소성학을 FEM과 연계/결합하여 철강재료의 이방성을 포

연구의 목적 및 내용
○ 멀티스케일 전산모사기법을 활용한 철강재료의 미세조직 및 물성 예측 computer program의 개발과 이를 활용한 철강공정 해석 및 설계 기술 개발
(1) Ab initio와 MD를 활용하여 원자단위에서의 철강 기초 데이터를 확보
(2) 확보한 기초데이터를 토대로, phase field 기법을 활용하여 상변태 거동 및 미세조직의 형상, 분포를 예측하는 엄밀 상변태 모델을 개발
(3) Phase field 기법, 전위동력학 및 결정소성학을 FEM과 연계/결합하여 철강재료의 이방성을 포함한 기계적 특성을 예측할 수 있는 모델링 기법을 확립
(4) 초미세경도기, 집속이온빔(FIB) 장치, 전자후방산란회절(EBSD) 장치를 활용하여 초미세물성을 확보하고 해석결과를 검증
(5) 최종적으로 실험데이터에의 의존성을 최소화하면서 예측정도와 적용범위를 넓힌 신개념 철강공정 멀티스케일 전산모사기법을 확립
연구결과
(1) 원자단위 전산모사를 활용한 철강의 기초 데이터 확보
- 제일원리 계산을 통한 철강재의 기초 물성 데이터 DB화 및 Phase field 기법 적용
(2) 전위동역학을 이용한 철강재의 물성 및 거동 전산모사
- 전위동역학/결정소성 유한요소법 연계와 size효과를 고려한 구성방정식 개발
- 전위거동, 초미세 압입시험 전산모사, FCC 마이크로 기둥의 피로거동 전산모사
(3) 초정밀/실시간 분석 장비를 이용한 초미세 물성 평가 기술 개발
- 초미세경도기, FIB, EBSD를 활용한 철강의 상 구분 및 각 상별 기초 물성 DB화
- 초미세 경도 시험분석을 통한 물성 평가 기술 개발
- 개발 기술을 국내철강사와 연계해 다상 철강재의 물성 분석 및 강종 설계에 활용
(4) 전산모사 기법을 이용한 다결정 재료의 변형 거동 분석 및 예측
- CP-FEM을 이용한 초미세 압입 시험 거동 및 평면 변형 거동 모사
- CP-FFT 이미지 기반 해석 기법을 이용한 DP강의 미세조직 변화 거동 모사
(5) 철강공정의 상변태/변형 해석용 다중스케일 전산모사 프레임워크 개발
- 원자단위해석/상장모델/유한요소법의 계층적 결합을 통한 철강 상변태 및 변형 해석
- 다중스케일 전산모사를 통해 변태소성에 대한 정량적 해석 기법 개발
- 전산기반 dilatometry 패키지 소프트 웨어를 개발하여 국내철강사에 제공 및 활용
- 열연 판재의 석출-상변태-변형 연계 해석 소프트 웨어의 개발과 국내철강사 활용
연구결과의 활용계획
(1)철강산업 분야 - 철강재료의 미세조직 및 물성 예측이 가능한 computer simulation program을 제공하여 복합기능성 초고강도 철강재료의 생산기술 연구 및 상업적 생산, 타철강재료의 고기능화에 활용
(2) 자동차 및 수송기기, 중장비, 산업용 기계 산업 분야 (핵심 부품 및 시스템) - 본 연구에서 개발된 computer simulation program을 핵심 부품 및 시스템의 고성능화, 경량화, 장수명화에 응용. 우리나라 부품소재 산업의 도약에 기여
(3) 반도체·나노 기술 분야 - 본 연구를 통해 확보한 나노물성측정 및 예측 기술을 반도체, MEMS 등의 기능성과 물성 향상 및 수명 개선 연구에 응용
(4) 신재생·그린에너지 분야 - 유망한 미래 대체에너지인 원자력에너지 생산 및 공급을 위해 필수적인 원자로 등의 원전시설의 안전성 확보와 장수명화, 온실가스 감축을 위한 수소저장합금개발 분야에 전산모사 기술을 활용

Abstract ▼

Purpose&contents
○ Development of a computational program for prediction of microstructure and mechanical properties in steel using a multi-scale modeling method and the design and the analysis of steel manufacturing process using the program.
(1) Acquisition of atomic scale fundamental data u

Purpose&contents
○ Development of a computational program for prediction of microstructure and mechanical properties in steel using a multi-scale modeling method and the design and the analysis of steel manufacturing process using the program.
(1) Acquisition of atomic scale fundamental data using Ab initio and MD
(2) Development of phase transformation model available for prediction of phase transformation kinetics and microstructure change and distribution using the phase field method based on the fundamental data.
(3) Establishment of modeling method possible to predict material properties considering anisotropy of steel coupled with phase field method, dislocation dynamics, crystal plasticity and Finite Element Method.
(4) Verifying the predicted hyperfine material properties using nano indenter, FIB and EBSD
(5) Invention of progressive multi-scale computational method for steel manufacturing depending on limited experimental data
Result
(1) Securement of the database of steel using atomic scale simulation
- Construction of the database of steel's basic properties by Ab Initio calculation and application of the Phase Field Method.
(2) Simulation of the properties & mechanical behavior of steel by Dislocation Dynamics
- Connection of Dislocation Dynamics and Crystal-Plasticity Finite Element Method and development of the general equation considering the size effect.
- Simulation of dislocation-behavior, nano-indentation, and thermal fatigue of FCC micro-pillar
(3) Technical development of the evaluation of material nano-properties using the precise/in-situ analysis equipments
- Separation of the phases of the steel and construction of the database of material properties of each phase using nano-indentation, FIB, EBSD
- Technical development of the evaluation of material properties by nano-indentation
- Practical use of the steel design and material analysis of the commercial multi phase steel by the evaluation technology with industry
(4) Analysis and prediction of the deformation behavior of the polycrystalline materials
- Simulation of the behavior of nano-indentation and plane strain using CP-FEM
- Analysis of the martensite effect that affect the change of microstructure of dual phase steel by image-based visco-plastic analysis
(5) Development of framework of the multi-scale simulation for phase transformation/deformation analysis of steel
- Phase transformation and deformation analysis of the steel by connection of the Atomic scale analysis, Phase Field Model, and Finite Element Method
- Development of the quantitative analysis method of the transformation plasticity using the multi-scale simulation
- Provision of the computation-based dilatometry package software to industry after development
- Provision of the computation model for precipitation-phase transformation-deformation of hot-rolled steel to industry after development
Expected Contribution
(1) Steel industry - Application of simulation to the development of high performance steel and the research & commercial production of complex-functional/high strength steel by offering the computer simulation program able to predict the material properties and microstructure of steel.
(2) Automobile, industrial machine, and heavy equipment industry (core component & system) - Application of computer simulation program developed in this study to the core components & system for high performance, lightweight, and high reliability. Contribution to the component materials industry in Korea
(3) Semiconductor-Nano technology - Application of Nano-material properties measurement & prediction technology developed in this study to the improvement of performance, lifetime, and material properties of semiconductors & MEMS
(4) New Regeneration / Green Energy - Application of the simulation to research of the safety and long life of the nuclear power plants and development of hydrogen storage alloys for reduction of greenhouse gases

목차 Contents

• 도약연구사업 최종보고서(제출용) ... 1
• 목차 ... 3
• 연구계획 요약문 ... 4
• 연구결과 요약문 ... 5
• 한글요약문 ... 5
• SUMMARY ... 6
• 연구내용 및 결과 ... 7
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 7
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 9
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 12
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 79
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 83
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 84
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 87
• 8. 참고문헌 ... 88
• 9. 연구성과 ... 90
• 10. 기타사항 ... 103