KIC News, Volume 23, No. 4, 2020
KIC News, Volume 23, No. 4, 2020 67
심양 중국과학원/캠브리지대:
변형률 인가하에 회복(rejuvenate) 되는 금속 유리
- 금속 유리는 기존의 금속보다 훨씬 강하지만, 응력이 가해져 파손될 수 있는 특정 불안정성을 가지며, 회복 (Rejuvenation) 과정이 이 문제를 해결함 -
금속 유리는 용융물이 결정화되는 것을 방지하는 조건 하에서 용융된 합금을 냉각시킴으로써 형성된다.
금속 유리는 기계적 특성이 뛰어난데 특히 탄력적으로 행동을 멈추고 영구적으로(소성적으로) 변형되기 전 에 강한 힘을 받고 큰 변형을 일으킬 수 있다. 그러나 결정성 금속이 경화되는 것과 달리 소성 변형 중에 연화되기 때문에 응력이 가해지면 치명적인 파손이 발생하기 쉽다. 심양 중국과학원의 Pan et al.는 소성 변형 동안 유리가 경화되어 고장을 초래하는 불안정성을 배제하는 금속 유리의 제조 방법을 발표했다.
종이 클립을 가져와 구부리면 점점 더 예리한 각도로 구부릴 때 더 많은 힘이 필요하다는 것을 알 수 있 다. 이것은 소성 변형을 통한 재료의 강화 작업 또는 변형, 경화의 예이다. 원자 규모에서 와이어에서 금속 결정의 소성 변형은 '전위' 움직임에 의해 발생한다. 결정 구조의 이러한 선형 결함은 변형이 진행됨에 따 라 배로 증가하고 교차하며 얽히게 되어 서로의 길을 가며 재료를 강화시킨다. 이는 전위 중심부의 원자 규모 길이부터 전위 상호작용과 구조에 관련된 나노 미터 및 마이크로미터 규모, 균열 전파 및 벌크 재료의 구조적 안정성과 관련된 거시적 길이가 관련되어, 경화 작업을 과학에서 복잡한 문제들로 만든다.
금속 유리의 기계적 거동은 근본적으로 다르다. 원자 구조는 주기적이지 않기 때문에 전위가 없다. 소성 변형은 대신 유리 전체에 걸쳐 원자의 작은 그룹(전단 변형 영역; STZ)에 영향을 미치는 변형 방식인 전단 을 통해 발생한다. 이러한 전단은 원자 구조를 느슨하게 하고(확장시키고), 결과적인 부피 증가는 새로운 STZ의 형성을 촉진시킨다. 변형 속도가 충분히 높으면 원자 구조에 다시 완화되고 밀집될 시간이 없다. 결 과적으로, 국부 변형률은 계속 상승하고 최종적으로 불안정해져 전단 밴드로 알려진 좁은 전단 변형(변형 유형)의 좁은 영역을 형성한다.
Pan et al.은 원통형 유리 막대의 원주 주위에 깊고 좁은 노치를 자르고 수직 방향으로 압축해 이를 억 제에 성공하였다. 노치 부근의 바의 중앙 영역은 광범위한 소성 변형을 겪으며, 이 동안 바의 외부 부분에 의해 가해지는 제약에 의해 전단 밴드가 억제된다. 그런 다음 저자는 중앙 부분을 잘라 내고 장력 하 또는 압축 상태에서 구속되지 않은 샘플을 변형했다. 놀랍게도, 생성된 물질은 가공 경화되고 전단 밴드를 형성 하지 않는 종래의 결정질 금속과 유사한 특성을 나타낸다.
바닥상태의 유리는 STZ 수가 가장 적기 때문에 가능한 가장 높은 유동 응력을 가진다. 이 상태의 변형에 는 에너지가 필요하지만 전단 유도 팽창을 통해 흐름 응력을 낮추는 새로운 STZ가 도입된다.
모든 유리는 평형 상태가 아니다. 원자가 이동할 수 있는 온도로 가열(어닐링)될 때, 프로세스는 원자 밀 집도를 강화하고 에너지를 바닥상태로 낮춘다. 이 과정을 구조적 완화 또는 노화(ageing)이라고 하며 유리 의 특성을 변경한다. 이 ageing 과정의 반전을 회복(rejuvenation)이라고 하며 여러 가지 방법으로 달성할 수 있다. 가장 간단한 방법은 다시 액체가 될 때까지 유리를 가열한 다음 빠르게 식히는 것이다. 또 다른 접근법은 예를 들어 이온 조사 또는 소성 변형과 같은 구조를 '흔들기'하는 것이다. 제한된 조건 하에서 금 속 유리의 샘플을 크게 변형시킴으로써 Pan et al.는 유리의 에너지를 바닥 상태의 에너지보다 훨씬 높이 올려서 활력을 되찾아 STZ로 올린다. 저자가 인장 또는 압축 시험의 덜 제약된 조건 하에서 변형될 때, 구 조적 완화는 다음과 같이 설정된다: 원자 패킹이 증가하고 초기 변형에 의해 도입된 부피가 사라진다. STZ
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68 공업화학 전망, 제23권 제4호, 2020
의 수가 감소하여 흐름 응력이 증가해 작업 경화가 달성된다.
만약 금속 유리가 전단 밴드 고장의 위험을 크게 줄이도록 처리될 수 있다면, 구조적 적용을 위해 훨씬 전적으로 이용될 수 있다. 그러나 이를 위해서는 대량의 금속 유리를 회복하는 방법의 개발이 필요하다. 대 규모 회복은 제한된 냉간 압연 또는 동일 채널 각도 압출과 같은 방법을 사용하여 달성할 수 있는 제한된 조건 하에서 대량의 합금 변형이 필요하다.
유리는 평형 상태가 아니기 때문에 그 특성은 특정 상태에 도달하는 처리 경로에 따라 다르다. 예를 들 어, 실험에서 Pan et al.는 회복 후 및 여러 단계의 변형 후 유리의 이완 열(유리의 내부 에너지 측정)을 측정했다. 유리의 구조 및 기타 특성이 동일한 이완 열을 갖지만 용융된 재료의 냉각 및 어닐링에 의해 얻 어진 유리 구조 및 다른 특성과의 비교를 아는 것이 흥미롭다.
연구성과는 네이처 출판 그룹의 Nature 온라인판에 게재되었다[Nature, 578, 559–562 (2020), https://
www.nature.com/articles/s41586-020-2016-3].
Figure. Zr64.13Cu15.75Ni10.12Al10 벌크 MG는 원주 노치를 갖도록 가공된다. 단축 압축으로 소성 변형이 발생하여 노치 너비가 40% 감소함. 이 가공은 노치 막대 내에서 젊어지게 된 영역을 만들어내고,
여기서 1.5 mm 직경, 3 mm 길이의 유리 실린더가 가공됨.
출처: 2020. 4. 26, Nature NEWS AND VIEWS (https://www.nature.com/articles/d41586-020-00468-9) 작성: 손 희 상 (광운대학교)