[보고서]통합 TWIP 모델 개발 및 모델에 기반한 TWIP 비철합금/신철강재 설계, 제조 및 특성최적화

홍순익

[국가R&D연구보고서] 통합 TWIP 모델 개발 및 모델에 기반한 TWIP 비철합금/신철강재 설계, 제조 및 특성최적화
Development of integrated TWIP model and design/manufacturing/property optimization of advanced nonferrous and ferrous TWIP alloys 원문보기

보고서 정보
주관연구기관	충남대학교 Chungnam National University
연구책임자	홍순익
보고서유형	최종보고서
발행국가	대한민국
언어	한국어
발행년월	2022-03
과제시작연도	2021
주관부처	과학기술정보통신부 Ministry of Science and ICT
연구관리전문기관	한국연구재단 National Research Foundation of Korea
등록번호	TRKO202200013216
과제고유번호	1711141912
사업명	개인기초연구(과기정통부)(R&D)
DB 구축일자	2022-10-18
키워드	쌍정.상변태.변형거동.강도.미세구조.Twin.Phase transformation.deformation behavior.Strength.Microstructure.

초록 ▼

ㅇ 연구개요
본 연구는 통합 TWIP 모델 개발 및 모델에 기반한 TWIP 비철합금/신철강재 설계, 제조 및 특성최적화에 대한 연구로 합금원소가 적층결함에너지, twinning 부분전위의 mobility에 미치는 영향 분석, 2원계 이상 다원계 합금에서 치환형 합금원소 및 침입형 합금원소의 영향을 통합한 모델 개발, 합금원소와 부분전위의 interaction에 의한 planar slip 및 deformation twin 거동 예측을 통하여 새로운 Twip 합금을 개발을 하고 신뢰성을 확보하는데 있다.

ㅇ 연구 목표대비 연구결과
통합 TWIP 모델 개발 및 모델에 기반한 TWIP 비철합금/신철강재 설계, 제조 및 특성최적화에 대한 연구로 연도별 목표대비 연구결과는 아래와 같다.
1차년도
◦ 개발된 TWIP 모델 기반으로 새로운 합금을 제조.
◦ 제조한 합금의 균질화 전후 미세 구조 분석 및 기계적 특성 평가
2차년도
◦ 비철 TWIP 특성합금 설계, 제조
TWIP모델 기반 TWIP 비철합금 (Cu, Ti, Ni, Al 등)중 2종 설계 및 제조
◦ Co-Ni-Cr-Fe 합금의 변형거동 연구 및 TWIP 특성 최적화
변형거동 (연성, 강도) 등 기계적 특성 평가 및 나노 미세구조 분석.
특성 최적화 열가공처리 및 미세 조성 변화 효과 연구 및 모델에 반영
3차년도
◦ Twinning 부분전위의 물리적 거동에 기반한 TWIP 모델 개발
합금원소가 적층결함에너지, twinning 부분전위의 mobility에 미치는 영향 고려 모델개발
2원계 이상 다원계 합금에서 치환형 합금원소 및 침입형 합금원소의 영향을 통합한 모델 개발
합금원소와 부분전위의 interaction에 의한 planar slip 및 deformation twin 거동 예측
◦ 설계/제조된 TWIP 비철합금/신철강 특성 평가 및 특성 최적화
변형거동 (연성, 강도) 등 기계적 특성 평가 및 나노/미세구조 분석 특성 최적 조성 결정 및 모델에 반영

ㅇ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성)
◦ 과거 20년간 국내의 바철소재 산업에 대한 투자부족으로 국내 소재산업은 위기상황에 있으며, 부가가치가 높은 비철소재 등의 특허보유도 상당히 낮은 편임. 본 연구는 이러한 뒤처진 비철소재 산업 및 기술적 수준을 회복시켜, 적어도 국내 비철 소재 합금설계 수준 및 산업화 면에서 많은 impact를 줄 수 있는 연구임.
◦ 현재 세계적으로 활발히 연구되고 있는 TWIP 강의 경우에도 기본적인 조성인 Fe-Mn-C-X (Al,Si) 계를 벗어나지 못하고 있으며, TWIP 강의 단점인 낮은 항복강도, 부식특성, 접합성의 단점이 제약조건으로 작용하는 환경에는 적용하기 어려움. 따라서 Twin의 물리적 특성에 기반한 새로운 모델 개발 및 이러한 모델에 기반한 새로운 TWIP 신철강소재 개발 시에 중국의 추격에 시달리는 국내 철강 기술 수준을 upgrade 시킬 수 있는 계기를 만들 수 있음.
◦ TWIP 및 유사 TWIP 현상은 많은 다른 힙금계에서도 발견될 가능성 높으며, 다양한 비철계 TWIP 합금 개발 가능할 것으로 판단되며, 유사 TWIP 현상을 상온, 저온 난가공성 HCP (예, Mg)에서 구현하는 경우, 산업계에 큰 영향을 끼칠 획기적인 성과가 될 것임.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

표지 ... 1
연구결과 요약문 ... 2
목차 ... 3
1. 연구개발과제의 개요 ... 4
2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 4
3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 4
1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 17
2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 18
3) 목표 달성 수준 ... 18
4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 18
4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 19
5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 19
6. 참고문헌 ... 19
[붙임1] 세부 정량적 연구개발성과 ... 20
[붙임2] 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 22
끝페이지 ... 32

표/그림 (19)

표 주조한 샘플의 화학적 조성(%)
표 XRD 분석
표 850℃/1h 열처리한 시편의 미세구조
표 40Co40Ni15Cr5Fe-0.3C 합금에서 생성된 Cr23C6 탄화물
표 40Co40Ni15Fe 합금과 40Co40Ni15Fe-0.3C 합금의 Stress-Strain Curve
표 상온 가공 후 Cu65X 합금의 미세구조
표 합금 및 질소가 첨가된 Fe-25Mn-15Cr-10Co-1.0N 합금과 Fe-25Mn-15Cr-10Co-1.6N 합금의 XRD 스펙트럼, 응력-변형율 곡선 및 EBSD
표 TEM microstructures of (NiCo)75Cr17Fe8(a), (NiCo)75Cr17Fe8C0.34(b) and (NiCo)75Cr17Fe8C0.83(c) deformed to 20% at cryogenic temperature
표 (NiCo)75Cr17Fe8Cx 합금의 Stress-strain curve
$TEM (a, c) images and HRTEM images (b, d ~ f) of Fe50Mn25Cr15Co10N1.6 deformed to 50% (a, b) and 70% (c ~ f) strains. (a) The fraction of ε-martensite (hcp) bands increased at 50% strain; (b) HRTEM image of a region with ε-martensite (hcp) bands; (c) Bright field and dark field images (inset at the bottom) obtained using the spots from twin and hcp phase in the diffraction pattern (top right corner) of Fe50Mn25Cr15Co10 N1.0 deformed to 70%; (d ~ f) Deformation twin bands were observed as well as ε-martensite bands after deformation to 70% in Fe50Mn25Cr15Co10 N1.0$ 표 TEM (a, c) images and HRTEM images (b, d ~ f) of Fe50Mn25Cr15Co10N1.6 deformed to 50% (a, b) and 70% (c ~ f) strains. (a) The fraction of ε-martensite (hcp) bands increased at 50% strain; (b) HRTEM image of a region with ε-martensite (hcp) bands; (c) Bright field and dark field images (inset at the bottom) obtained using the spots from twin and hcp phase in the diffraction pattern (top right corner) of Fe50Mn25Cr15Co10 N1.0 deformed to 70%; (d ~ f) Deformation twin bands were observed as well as ε-martensite bands after deformation to 70% in Fe50Mn25Cr15Co10 N1.0
표 A schematic description of a grain with PDIDs band. The average local strain caused by the deformed band (with thickness“w”) of closely spaced SFs, ε-martensite and deformation twin bands can be calculated based on the number of partial dislocations migrated in the band through the grain with the size “D”. The exaggerated shear strain induced by the partial dislocations at the grain boundary region is also shown
표 Free energy difference between fcc and hcp phase, ΔGfcc-hcp and the calculated SFE for Fe50Mn25Cr15Co10, Fe50Mn25Cr15Co10N1.0 and Fe50Mn25Cr15Co10N1.6
$Relative fractions of partial-dislocation-induced defects (a, b, c) and partial-dislocation-induced defect volume densities (d, e, f) in Fe50Mn30Co10Cr10 (a, d), Fe50Mn30Co10Cr10N1.0 (b, e), Fe50Mn30Co10Cr10N1.6 (c, f) HEAs are plotted as a function of strain$ 표 Relative fractions of partial-dislocation-induced defects (a, b, c) and partial-dislocation-induced defect volume densities (d, e, f) in Fe50Mn30Co10Cr10 (a, d), Fe50Mn30Co10Cr10N1.0 (b, e), Fe50Mn30Co10Cr10N1.6 (c, f) HEAs are plotted as a function of strain
표 (수식)The values of mixing enthalpy ( ) given for liquid binary elements of i and j applied for calculating ΔHmix
표 Bulk modulus and atomic volume of elements utilized for calculating elastic lattice distortion energy (ΔHel) of MCAs
표 The variation of ΔHmix and ΔHel values by (AlTiZr) addition in the studied multicomponent alloying system
표 TEM microstructures of (NiCo)75Cr17Fe8(a),(NiCo)75Cr17Fe8C0.34(b) and (NiCo)75Cr17Fe8C0.83(c) deformed to 20% at room temperature
표 Transmission electron microscope (TEM) images of solution‐treated (NiCo)75Cr17Fe8C0.83 (a) annealed (NiCo)75Cr17Fe8C0.34 (b) and annealed (NiCo)75Cr17Fe8C0.83 (c,d)
표 Predicted strengthening components including ΔσG by grain refinement, Δσp by carbides, Δσis by interstitial solution strengthening of carbon and the friction stress due to intrinsic stress and substitutional solid solution strengthening (σ0+Δσss) are plotted with the experimental yield strengths of (NiCo)75Cr17Fe8, (NiCo)75Cr17Fe8C0.34 and (NiCo)75Cr17Fe8C0.83 at room (a) and cryogenic temperature (b)

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