초록 ▼

□ 연구목적
중성자 회절법과 미세구조 기반 다결정 소성 변형 모델링을 사용하여 3D 프린팅으로 제작된 스테인리스강의 극저온 기계적 이방성과 변형 메커니즘을 연구함

□ 연구내용
[1차년도] 3D 프린팅 스테인리스강 제작 및 미세조직 분석 연구
1) 선택적 레이저 용융법(Selective laser melting, SLM)을 이용한 3D 프린팅 스테인리스강 제작
2) 3D 프린팅 스테인리스강의 초기 미세구조와 내부 결함 관찰
3) 3D 프린팅 스테인리스강의 상온 및 극저온에서 인장 시험
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□ 연구목적
중성자 회절법과 미세구조 기반 다결정 소성 변형 모델링을 사용하여 3D 프린팅으로 제작된 스테인리스강의 극저온 기계적 이방성과 변형 메커니즘을 연구함

□ 연구내용
[1차년도] 3D 프린팅 스테인리스강 제작 및 미세조직 분석 연구
1) 선택적 레이저 용융법(Selective laser melting, SLM)을 이용한 3D 프린팅 스테인리스강 제작
2) 3D 프린팅 스테인리스강의 초기 미세구조와 내부 결함 관찰
3) 3D 프린팅 스테인리스강의 상온 및 극저온에서 인장 시험
4) 3D 프린팅 스테인리스강의 인장 실험 후 미세조직 분석

[2차년도] 실시간 중성자 회절법을 이용한 3D 프린팅 스테인리스강의 극저온 물성 연구
1) 3D 프린팅 스테인리스강의 극저온(100K)에서 실시간 중성자 회절법을 이용한 인장 실험
2) 회절 분석을 이용한 미시적 관점에서의 변형 거동 이해를 통한 거시적 물성 해석
3) 회절 픽 프로파일 분석을 통한 전위밀도 계산

□ 연구결과
[1차년도]
1) 적층방향과 인장축 방향을 달리한 두 종류의 시편(Horizontal 및 Vertical)을 제작함
2) 3D 프린팅 스테인리스강의 미세조직은 마르텐사이트기지 내 잔류 오스테나이트로 구성되어져 있으며, 내부에는 기공과 같은 결함들은 발견되지 않음. 불균일한 결정립의 크기 분포를 갖는 용융 풀의 흔적을 발견함
3) 3D 프린팅 스테인리스강은 일반 스테인리스강보다 기계적 물성이 우수함. Horizontal 샘플은 Vertical 샘플보다 더 낮은 응력에서 항복되었으나 이후에 더 높은 가공 경화율을 가졌으며, 높은 인장강도 및 균일 연신율을 보임. 저온으로 갈수로 기계적 강도는 향상되지만 균일 연신율은 감소했음
4) 극저온에서 인장 시험된 3D 프린팅 스테인리스강의 파단면을 관찰해본 결과, 매우 작은 dimple을 동반한 연성파괴와, cleavage를 동반한 취성파괴가 함께 관찰됨. Horizontal 샘플의 경우 적층 방향과 수직한 방향으로 이차 균열이 발생함

[2차년도]
1) 극저온 분위기에서 실시간 중성자 회절 실험을 실시함
2) 상온에서 인장 실험이 진행되는 동안 Vertical 및 Horizontal 샘플의 잔류 오스테나이트는 변태 유기 소성(TRIP) 거동을 보이며 사라지는 것을 확인함
3) 극저온에서 인장 실험이 진행된 경우 Vertical 샘플은 냉각 도중에 잔류 오스테나이트가 전부 사라져서 TRIP 현상이 관찰되지 않음. 하지만 Horizontal 샘플은 10.8%의 잔류 오스테나이트가 존재하고 있었기 때문에 상온과 마찬가지로 TRIP 거동이 발생함
4) Vertical 샘플은 Horizontal 샘플보다 더 낮은 응력에서 TRIP이 발생하고, Horizontal 샘플은 변형률이 증가함에 따라 더 많은 양의 TRIP이 발생함. 극저온 환경에 노출된 Horizontal 샘플의 경우 더 높은 응력 상태에서 TRIP 현상이 발생함
5) 마르텐사이트에 존재하는 초기 전위밀도의 경우 Horizontal 샘플이 높고, 잔류오스테나이트에 존재하는 초기 전위밀도의 경우 Vertical 샘플에서 높은 것을 확인함

□ 연구결과의 활용계획
1) 개발된 다결정 소성변형 모델을 통해서 3D 프린팅 스테인리스강의 극저온에서의 변형 모드 활동도 계산
2) 시뮬레이션 모델로부터 얻은 각 방위별 탄성계수 및 격자 변형율 변화와 실제 중성자 실험 데이터로부터 얻은 결과를 비교하여 모델 검증화 실시

(출처 : 연구결과 요약문 3p)

Abstract ▼

□ Purpose
Study of mechanical anisotropy and deformation mechanisms of additively manufactured(AM) stainless steel for cryogenic application via in-situ neutron diffraction and elastic-viscoplastic self-consistent model (EVPSC)

□ Contents
[1st year] Fabrication and microstructure analys

□ Purpose
Study of mechanical anisotropy and deformation mechanisms of additively manufactured(AM) stainless steel for cryogenic application via in-situ neutron diffraction and elastic-viscoplastic self-consistent model (EVPSC)

□ Contents
[1st year] Fabrication and microstructure analysis of AM stainless steel
1) Manufacturing AM stainless steel by selective laser melting
2) Initial microstructure and defect analysis
3) Tensile experiment at room and cryogenic temperature
4) Microstructure analysis after tensile deformation

[2nd year] Study of cryogenic mechanical properties of AM stainless steel via in-situ neutron diffraction
1) In-situ neutron diffraction analysis at cryogenic temperature (100K)
2) Understanding the relationship between macroscopic mechanical behavior and microscopic deformation behavior via neutron diffraction
3) Calculation of dislocation density by diffraction peak profile analysis

□ Results
[1st year]
1) Fabrication of two types of tensile specimens in horizontal and vertical building direction
2) The microstructure of AM stainless steel was composed of martensite and retained austenite. A melting pool had inhomogeneous distribution of effective grain size.
3) AM stainless steel had exceptional mechanical properties compared to commercial stainless steel. Horizontal sample exhibited a lower yield strength, a higher tensile strength and a larger uniform elongation due to great work hardening.
4) The samples tested at cryogenic temperature revealed both a ductile fracture mode with small dimples and a brittle fracture mode with cleavages. Horizontal sample possessed secondary cracks.

[2nd year]
1) We conducted in-situ neutron diffraction experiment at cryogenic temperature.
2) Retained austenite were transformed into martensite during tensile deformation at room temperature, indicating transformation induced-plasticity (TRIP).
3) Only horizontal sample exhibited the TRIP at cryogenic temperature.
4) The vertical sample revealed TRIP at a lower stress, while the horizontal sample had a large amount of TRIP. Onset of TRIP was delayed at cryogenic temperature.
5) Horizontal sample had a higher dislocation density of martensite, while a higher dislocation density was found in retained austenite of the vertical sample.

□ Expected Contribution
1) Calculation of the activities of deformation mode of AM stainless steel at cryogenic temperature using EVPSC model
2) Validation of the model by comparing with the elastic modulus and lattice strains between experimental diffraction data and developed model

(source : Summary 4p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• 연구결과 요약문 ... 3
• SUMMARY ... 4
• 연구내용 및 결과 ... 5
• 1. 과제 개요 ... 5
• 2. 수행내용 및 결과 ... 6
• 3. 자체평가 ... 12
• 4. 연구결과의 활용 계획 ... 12
• 5. 연구과정에서 수집한 해외 정보 ... 12
• 6. 참고문헌 ... 12
• 7. 연구성과 ... 13
• 붙임 대표성과 ... 16
• 끝페이지 ... 16