고엔트로피합금의 형성원리 및 기계적 특성

문서 내 토픽

1. 고엔트로피합금(High Entropy Alloy, HEA)

고엔트로피합금은 5~35 at.% 비율로 혼합된 여러 원소로 구성되어 intermetallic compound 없이 단일 고용체를 형성하는 합금이다. 고온에서 높은 configurational entropy를 가지며 주조 후 상온에서도 단일 고용상을 유지한다. HEA는 amorphous alloy와 달리 고온에서 우수한 열적 안정성과 뛰어난 기계적 성질을 가지며 응용범위가 넓다. 대표적인 HEA인 Cantor 합금은 Cr, Mn, Fe, Co, Ni이 동일 분율로 섞여 5원계 FCC 단상을 이루며 극저온에서 우수한 강도와 연신율을 나타낸다.
2. TRIP(Transformation Induced Plasticity) 및 TWIP(Twinning Induced Plasticity)

TRIP는 변형 중 metastable austenite가 martensite로 상변태하여 강도와 연신율을 향상시키는 현상이다. TWIP는 변형 중 deformation twin이 생성되어 grain refinement 효과를 일으키고 기계적 성질을 향상시킨다. 극저온에서는 austenite stability가 감소하여 TRIP 거동이 활발해지며, TWIP-HEA에서는 극저온에서 twin 생성이 활성화되어 우수한 기계적 성질을 나타낸다.
3. Stacking Fault Energy(SFE)와 변형거동

Stacking Fault Energy는 perfect dislocation이 partial dislocation으로 분리될 때 발생하는 단위 면적당 에너지이다. SFE가 약 20mJ/m² 이하에서는 TRIP, 20~40mJ/m² 범위에서는 TWIP이 발생한다. SFE가 낮을수록 austenite의 안정성이 감소하고 cross slip이 억제되어 twin 생성이 활성화된다. 온도, 합금원소 첨가 등으로 SFE를 조절할 수 있다.
4. 미세조직과 기계적 성질의 관계

열처리 온도가 높아질수록 atom diffusion이 증가하여 grain size가 커진다. Dynamic Hall-Petch Effect에 따르면 grain size가 작을수록 yield strength와 tensile strength가 크고 elongation은 작다. Grain boundary는 dislocation의 이동을 방해하는 barrier로 작용하므로 grain size가 작을수록 강도가 높다. 본 실험에서 900℃ 열처리 시편이 1000℃ 열처리 시편보다 YS, TS는 크고 EL은 작았다.

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1. 고엔트로피합금(High Entropy Alloy, HEA)

고엔트로피합금은 재료공학 분야에서 혁신적인 개념으로, 기존의 주원소 중심 합금 설계 패러다임을 완전히 바꾸었습니다. 여러 원소를 거의 동등한 원자비로 혼합하여 높은 엔트로피를 달성함으로써 우수한 기계적 성질을 얻을 수 있다는 점이 매력적입니다. 특히 고온 강도, 내식성, 내마모성 등 다양한 특성을 동시에 확보할 수 있는 잠재력이 있습니다. 다만 복잡한 미세조직 제어, 높은 제조 비용, 그리고 아직 완전히 규명되지 않은 물리적 메커니즘 등이 실용화의 장애물입니다. 향후 계산재료학과 결합하여 더욱 효율적인 합금 설계가 가능할 것으로 기대됩니다.
2. TRIP(Transformation Induced Plasticity) 및 TWIP(Twinning Induced Plasticity)

TRIP과 TWIP 강화 메커니즘은 고강도와 고연성을 동시에 달성하는 혁신적인 방법입니다. TRIP 강은 오스테나이트에서 마르텐사이트로의 변태를 통해 추가 강화를 얻으며, TWIP 강은 쌍정 형성으로 인한 동적 홀 페칭 효과로 우수한 연성을 보입니다. 이러한 메커니즘들은 기존 강철의 강도-연성 트레이드오프를 극복하는 핵심입니다. 특히 자동차 산업에서 경량화와 안전성 향상이 동시에 요구되는 상황에서 매우 유용합니다. 다만 정확한 미세조직 제어와 공정 최적화가 필수적이며, 비용 경쟁력 확보도 중요한 과제입니다.
3. Stacking Fault Energy(SFE)와 변형거동

적층결함에너지(SFE)는 재료의 변형거동을 결정하는 가장 중요한 인자 중 하나입니다. SFE 값에 따라 쌍정, 마르텐사이트 변태, 또는 일반적인 전위 미끄러짐 등 서로 다른 변형 메커니즘이 활성화됩니다. 낮은 SFE는 쌍정과 변태를 촉진하여 높은 연성을 제공하고, 높은 SFE는 전위 활동을 용이하게 합니다. 이는 합금 설계에서 원소 첨가를 통해 SFE를 조절함으로써 원하는 기계적 성질을 얻을 수 있음을 의미합니다. SFE의 정확한 측정과 예측은 신소재 개발의 핵심이며, 계산열역학과 실험의 결합이 필수적입니다.
4. 미세조직과 기계적 성질의 관계

미세조직은 재료의 기계적 성질을 결정하는 가장 근본적인 요소입니다. 결정립 크기, 상의 분포, 전위 밀도, 결함 등 모든 미세조직 특성이 강도, 연성, 인성 등에 직접적인 영향을 미칩니다. Hall-Petch 관계식으로 대표되는 결정립 미세화 강화, 석출 강화, 변형 강화 등 다양한 강화 메커니즘이 미세조직을 통해 작동합니다. 현대 재료공학은 원하는 기계적 성질을 달성하기 위해 미세조직을 정밀하게 제어하는 것을 목표로 합니다. 이를 위해 열처리, 변형 공정, 첨가원소 선택 등 모든 제조 공정이 미세조직 설계 관점에서 최적화되어야 합니다.

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