Zirconium-계 비정질금속의 나노압입거동 분석을 위한 자유체적모델의 변수결정
Determination of parameters of free volume model for investigating nanoindentation behavior of Zirconium-based bulk metallic glass
- 주제(키워드) 비정질금속 , 자유체적이론 , 나노압입 , 유한요소해석 , 수치구현 , 전단띠 , 연화거동 , Bulk metallic glass , Free volume theory , Nanoindentation , Finite element analysis , Numerical implementation , Shear band , Softening behavior
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 이형일
- 발행년도 2020
- 학위수여년월 2020. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 기계공학과
- UCI I804:11029-000000065245
- 본문언어 한국어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권보호를 받습니다.
초록/요약
Bulk metallic glass (BMG) is a material with high yield strength, elasticity, and excellent corrosion resistance. Thus, it has recently been evaluated as a functional material in high-tech fields. Unlike typical behavior of other materials, BMG exhibits asymmetric deformation under tension (brittle) and compression (ductile), and hydrostatic stress-dependent behavior. For the practical use of BMG as an emerging material, a sufficient understanding of these unconventional material behaviors must be preceded. While the theory of general metallic behavior explains plastic deformation through dislocation slip, the free volume theory describes the plasticity as the principle of creation and annihilation of free volume in atomic array. Since there are no crystalline defects such as dislocation or grain boundary in BMG, an experimental-numerical combined study based on the free volume theory is needed to investigate the intrinsic mechanical behavior of BMG. In this work, to study the mechanical behavior of Zr55Cu30Ag15 BMG, spherical and Berkovich nanoindentation tests were conducted, and the corresponding finite element model was constructed with a pressure-dependent free volume model implemented as a user material subroutine. The mechanism of material behavior was identified under uniaxial compression, and model parametric studies were performed with spherical indentation. Based on sensitivity analysis, two model parameters were selected as decisive parameters for the indentation behavior. The parameters of free volume model and Drucker-Prager model were determined from the indentation load-depth curve, and they were compared with each other for the mechanical behavior of BMG. The free volume model properly describes the P - h responses from nanoindentations of BMG, and sub-indenter shear band and softening behavior while the Drucker-Prager model does not.
more초록/요약
비정질금속은 높은 항복강도, 탄성한도와 우수한 내부식성을 지닌 소재로 최근 첨단분야 내 기능성소재로 평가되고 있다. 그러나 일반적인 금속과 달리 인장과 압축변형 시 각각 취성과 연성의 비대칭거동을 보이며, 정수압 응력에 영향을 받는 소성특징을 지닌다. 신소재로써 비정질금속의 상용화를 위해서는 이러한 특이 거동에 대한 충분한 이해가 선행돼야 한다. 전위이동 (dislocation slip)으로 소성변형을 설명하는 통상적인 금속 재료거동 이론과 달리 자유체적이론은 원자배열 내 자유체적 (free volume)의 생성과 소멸의 원리로 비정질금속의 소성을 설명한다. 비정질금속에는 전위나 결정립계 등 결정결함이 없기에, 비정질금속의 고유역학거동 분석을 위해서는 자유체적 이론에 입각한 실험-수치해석 연계 연구가 필요하다. 본 연구에서는 Zr55Cu30Ag15의 기계적 거동분석을 위해 나노압입시험과 압력의존성 자유체적모델이 Abaqus UMAT으로 수치 구현된 유한요소해석을 수행했다. 단축 압축조건에서 재료거동 메커니즘을 파악하고 구형 압입에서 모델 변수분석을 수행했다. 민감도 분석을 기반으로 2개의 변수를 압입거동 결정변수 (decisive parameter)로 선정했다. 자유체적모델과 기존 비정질금속 거동분석에 사용된 Drucker-Prager 모델을 비교하고자, 압입 하중-변위곡선을 토대로 각 모델변수를 결정했다. 자유체적모델은 구형과 Berkovich 나노압입 모두 Zr55Cu30Ag15의 하중-변위곡선을 잘 모사하며 압자하부 전단띠 및 연화 거동을 적절히 설명하지만, Drucker-Prager 모델은 압입 깊이를 과소평가하며 압자하부 거동을 모사할 수 없음을 보였다.
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