초록 ▼

□ 연구개요
21세기 들어 그동안 축적된 물성 데이터베이스와 컴퓨터 계산을 기반으로 하는 전산 설계의 방법으로 새로운 철강 합금을 개발하려는 시도가 시작되고 있다. 대부분의 철강 합금은 열처리 과정을 거치며, 그 과정에서 오스테나이트→페라이트 변태가 일어난다. 따라서 철강 합금의 전산 설계를 위해서는 무엇보다 먼저 합금 원소가 상변태의 속도에 미치는 원리를 정확하게 이해할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 먼저 상경계에 편석이 수반되는 경우에 대한 phase-field 모델을 개발한 다음, 실용철강 함금을 대상으로 합금 원소

□ 연구개요
21세기 들어 그동안 축적된 물성 데이터베이스와 컴퓨터 계산을 기반으로 하는 전산 설계의 방법으로 새로운 철강 합금을 개발하려는 시도가 시작되고 있다. 대부분의 철강 합금은 열처리 과정을 거치며, 그 과정에서 오스테나이트→페라이트 변태가 일어난다. 따라서 철강 합금의 전산 설계를 위해서는 무엇보다 먼저 합금 원소가 상변태의 속도에 미치는 원리를 정확하게 이해할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 먼저 상경계에 편석이 수반되는 경우에 대한 phase-field 모델을 개발한 다음, 실용철강 함금을 대상으로 합금 원소가 상변태에 미치는 영향을 규명하고자 한다. 그 결과는 전산 설계의 방법으로 새로운 철강 합금을 개발하려는 첫 걸음이 되리라 기대된다.

□ 연구 목표대비 연구결과
본 연구의 주요 연구 내용은 다음의 4가지로 구성되어 있으며, 각각에 대한 목표대비 결과를 간단히 요약한다. (1) 상경계 편석을 수반하는 phase-field 모델 개발 및 모델의 특성 이해: 상경계에 별도의 계면상을 도입하고 오스테나이트, 페라이트 및 계면상에 등확산퍼텐셜 조건을 부가하는 방법에 의해 새로운 phase-field 모델을 개발하고, 이 모델의 열학적, 속도록적 특성을 완전하게 규명하였음. (2) 대규모 전산모사를 위한 병렬 코드 개발: 철강의 실제 제조 공정에 적용할 수 있는 다성분계 상변태의 phase-field 시뮬레이션 코드를 완성하였음. (3) 시뮬레이션 코드의 고효율화: 시뮬레이션 시간에서 가장 큰 비중을 차지하는 등확산퍼텐셜 조건의 풀이를 위해 두 가지의 방법(Newton-Raphson 법과 relaxation 법)등을 고안하고, 이들의 효울성을 비교 검토하였음. (4) 실용 철강 합금의 상변태에 대한 개발된 코드의 활용: 5원계 철강합금을 대상으로 연속주조의 실제 공정 조건에서, 페라이트가 오스테나이트로 변태하는 과정에 대한 대규모 시뮬레이션을 수행하고, 이로부터 오스테나이트의 성장과정이 기존의 포정반응과는 전혀 다른 양상으로 일어날 수 있음을 보여줌.

□ 연구개발결과의 중요성
(1) 본 연구에서 개발된 phase-field 시뮬레이션 코드는 열역학 데이터베이스와 확산 데이터베이스를 phase-field 모델과 결합한 것으로, 철강합금을 비롯해서 상변태가 일어나는 모든 소재의 미세조직을 예측할 수 있는 범용도구로 활용될 수 있다.
(2) 개발된 시뮬레이션 코드의 효율성은 등확산퍼텐셜 조건을 얼마나 빠르고 정확하게 푸느냐에 달려있다. 본 연구에서 개발한 두 가지 방법(Newton-Raphson 법과 relaxation 법)은 앞으로 phase-field 시뮬레이션 코드에서 국제 표준적인 요소기술로 자리잡을 것으로 예상된다.
(3) 본 연구에서 개발한 시뮬레이션 코드를 철강 연속주조에서의 초기응고 과정에 적용함으로써, 페라이트가 오스테나이트로 변태하는 과정이 기존에 알려진 것과는 전혀 다른 방식으로 진행됨을 발견하였다. 이는 철강 연속주조에서 균열 발생의 메커니즘을 이해하고 제어하는데 새로운 출발점이 될 것으로 여겨진다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 3
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 4
• 2-1. 상경계에서의 합금 원소 편석을 포함하는 phase-field 모델 개발 ... 4
• 2-2. 상경계에서의 편석을 포함하는 phase-field 모델의 열역학적 및 속도론적 특성 이해 ... 4
• 2-3. 확산계수와 확산퍼텐셜의 관계 유도 ... 5
• 2-4. 다성분계 열역학 데이터베이스의 효율적인 결합: Newton-Raphson 법 ... 6
• 2-5. 다성분계 열역학 데이터베이스의 효율적인 결합: Relaxation 법 ... 7
• 2-6. Newton-Raphson법과 relaxation 법의 비교 ... 8
• 2-7. 4원계(Fe-Mn-Si-C) 합금강에서 포정응고 ... 11
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 14
• 4. 참고문헌 ... 14
• 5. 연구성과 ... 16
• 끝페이지 ... 16