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합금설계를 위한 조직과 특성의 예측

전문가 제언: ○ 합금계의 평형상태도와 합금조성의 계산에는 CALPHAD(Calculation of Phase Diagram), Thermo-Calc 등과 같은 상용 프로그램의 보편적 이용과 컴퓨터에 의한 정보 처리기술을 배경으로 결정구조를 원자단위로 해석하는 시뮬레이션 계산수법의 발전으로 재료조직과 특성을 예측하는 합금설계법이 신재료의 개발에 적극적으로 이용되고 있다.

○ 계산과학의 재료분야 연구 예로는 1) 나노석출물의 제어, 2) 가공 중의 재질 및 조직변화의 예측, 3) 변형파괴의 기구해명과 모델화, 4) 재료특성의 창출을 위한 조직예측, 5) 연속 냉각과정의 조직형성 모델화, 6) 재료의 역학적 특성과 기능특성의 예측 등을 들 수 있다. 이들 연구에서는「조직형성 시뮬레이션」과 「특성예측 시뮬레이션」을 축으로 하여 조직과 특성을 연계하는 예측시스템의 개발이 이루어지고 있다.

○ 계산 재료과학에서 많이 이용되는 방법은 해석단위로 보면 제1원리계산법(전자단위), 분자동역학법 또는 Monte-Carlo법(원자, 분자단위), Phase Field법(nano~meso scale), 유한요소법과 통계열역학법(macro -scale) 등이 있으며 재료설계의 목적에 따라 적절한 방법이 적용된다. 본고에서 소개하는 Ti-Al합금의 설계에서는 통계열역학 모델과 원자배열을 고려하는 CVM(Cluster Variation Model)을 적용하고 있다.

○ 철강 재료의 경우 조직형성이나 특성에 관여하는 상변태와 구성상(phase)이 복잡하여 시뮬레이션에 의한 예측이 매우 어렵다. 그러나 열역학 계산법과 동역학 계산법의 발전, 데이터베이스의 확충과 정비에 따라 압연가공 또는 연속 냉각과정에서 나타나는 조직변화와 특성을 예측하는 것이 가능해지고 있다.

○ 앞으로 계산과학 수법은 재료설계에 뿐만 아니라 공정설계에도 적극적으로 응용될 것으로 전망된다. 최근 젊은 과학도를 중심으로 계산과학연구가 활발히 전개되고 있다. 바람직한 현상이나 자칫 수식과 계산의 유희에서 맴돌 가능성도 없지 않다. 이 점에 유의하여 명확한 목적과 결과에 대한 유용성의 검증이 수반되어야 할 것이다. 그리고 계산에 적용하는 신뢰성 있는 데이터의 선택에도 주의를 요한다.

저자: Hidehiro Onodera
자료유형: 학술정보