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Mg-Zn-Ca 합금의 소성이방성 및 신장성형성 개선: 제1 원리 연구

전문가 제언: ○ 마그네슘 합금은 여러 가지 장점에도 불구하고 hcp 결정구조로 인한 큰 소성이방성(plastic anisotropy) 때문에 성형성이 나빠 이용이 제한되고 있다. 소성이방성 개선을 위해 희토류원소를 첨가하는 방안이 제시된 바 있고, 최근에는 값이 비싼 희토류원소 대신 Zn과 Ca를 사용하는 Mg-Zn-Ca 합금이 제안되었다. 본 연구에서는 Mg에 Zn과 Ca를 첨가할 때 소성이방성이 개선되고 신장성형성이 향상되는 이유를 제1 원리 계산(1st principle calculation)을 통하여 찾아내고자 하였다.

○ 슬립시스템 가동의 난이도는 일반화된 적층결함에너지(GSFE: Generalized Stacking Fault Energy)로부터 유추할 수 있다. 제1 원리 GSFE 계산을 위해서는 Zn과 Ca의 정확한 합금 내 위치를 알기 위해 응집에너지의 계산이 필요하다. 또 성형성은 파괴특성과도 관련되므로 면간거리가 가장 큰 (0001)면에 대해 제1 원리 인장시험(rigid-type)으로 표면에너지도 계산하였다. 이들 제 1원리 계산은 모두 CASTEP(Cambridge Serial Total Energy Package)을 사용하여 시행하였다.

○ 일반화된 적층결함에너지GSFE)의 개념은 1968년 Vitek(Philos Mag, 18, 773, 1968)에 의해 처음 제시된 바 있다. GSFE의 제1 원리 계산으로부터 순 Mg의 주 슬립시스템이 {0001}<11-20>이고, Mg-Al-Sn 합금에서는 Al과 Sn이 피라미드 {10-12}<11-20> 슬립시스템을 활성화시킨다는 것이 밝혀졌다. 이런 배경을 바탕으로 본고에서는 Zn과 Ca의 첨가가 프리즘 {1-100}<11-20> 슬립을 활성화시킨다는 집합조직에 대한 이전의 실험결과를 GSFE의 제1 원리 계산결과로 뒷받침한다.

○ 국내에서는 아직 Mg합금에 있어서의 합금원소 첨가가 합금의 슬립시스템에 미치는 영향을 제1원리 GSFE 계산결과와 관련시켜 조사한 연구는 없다. 그러나 제1 원리에 의한 TWIP강의 적층결함 에너지 계산에 대한 연구는 1건 발표된 바 있다. 제1원리 계산에 의한 합금의 성질 예측 또는 기존 실험결과의 이론적 백업은 매우 흥미 있는 과제로 국내 연구자들도 시도해 볼 만한 분야이다.

저자: Motohiro Yuasa, Makoto Hayashi, Mamoru Mabuchi, Yasumasa Chino
자료유형: 니즈학술정보