Phase-field model을 이용한 Fe-Cr-Mo 삼원계에서 초기 농도 분포가 spinodal decomposotion의 최종 미세구조에 미치는 영향 연구

Abstract

Phase-field 법은 계면의 위치를 계산하지 않아도 된다는 장점 때문에 복잡한 미세구조를 가지는 상변태 거동을 모사하는 데에 적합한 방법이다. 이에 따라 많은 연구자들이 스피노달 상분해의 거동을 모사하기 위해 phase-field 법을 채택하였고, 성분계, 조성 그리고 결함의 유무 등 다양한 조건에서 모사를 진행해왔다. 그러나, 많은 연구에도 불구하고 재료 내에 큰 농도차를 가지는 농도 계면이 존재할 때, 계면이 스피노달 상분해에 미치는 영향에 대한 연구는 상대적으로 미흡하다. 그러므로, 본 연구에서는 800K의 Fe-Cr-Mo 삼원계에서 초기에 서로 다른 농도를 가지는 두 영역이 존재할 때, BCC 상(α)이 Fe-rich 페라이트 상(α1)과 Cr-rich 페라이트 상(α2)으로 분해되는 스피노달 상분해 과정에 어떤 영향을 미치는지를 살펴보았다. 자유에너지는 자기에너지를 고려하지 않은 정규 용액 모델을 사용하였고, 이동도와 계면에너지 계수는 문헌의 값을 사용하였다. 미세구조의 변화는 Cr와 Mo의 Cahn-Hilliard 방정식을 동시에 풀어서 계산하였으며, 계산속도의 향상을 위해서 1st order semi-implicit Fourier spectral 법을 사용하였다. 우선, Fe-40%atCr-3at%Mo, 800K의 tie-line 상에 있는 여러 초기 조성에 대하여 스피노달 상분해를 모사하였다. 그 결과, 고용 간극의 중심에 가까울수록 불규칙적이고 연결된 구조가 나타났고, 중심에서 멀어질수록 원형의 고립된 구조가 문헌에 보고된 바와 같이 나타났다. 또한, 계산 결과가 열역학적 평형 분율, 평형 농도 및 이론적 농도 파장을 잘 따라가고 있는 것으로부터 계산의 정합성을 확인하였다. 계에 서로 다른 농도를 가지는 두 영역의 계면이 존재하면 농도 계면은 결정립계, 표면 등의 결함처럼 스피노달 상분해가 우선적으로 일어나는 위치가 됨을 확인하였다. 이 때, 농도 계면은 계면 주위에 농도 파동을 일으키며 계면과 평행한 미세구조를 형성한다. 반면에, 계면에서 멀리 떨어진 곳의 미세구조는 각 영역 내부의 농도에 의해 결정된다. 계면에서 발달된 미세구조는 초기 농도 요동이 작을수록 영역 내부로 깊이 침투하는 것을 관찰하였다. 이 때, 만약 두 영역의 농도가 모두 binodal 영역에 속한다면, 상변태는 스피노달 상분해 메커니즘이 아니라 핵생성 및 성장 메커니즘으로 일어났다. 계면에서 발생하는 농도 파동은 영역 내부의 농도에 따라 파장과 전파 속도가 달라지며 계면 양 쪽에서의 농도 파동이 다른 형태를 가진다. 또한, 영역의 농도가 동일하더라도 계면에서의 농도 차이가 크면 농도 파동의 전파 속도가 빨라지나, 최종 미세구조에는 큰 차이를 주지 않는 것을 확인하였다.; Phase-field method is greatly adequate to simulate phase transformation with complex morphology, because it has an advantage that do not need to calculate position of interface. So, many researchers used phase-field method to simulate spinodal decomposition behavior and calculate it about various conditions, such as alloy system, composition and existence of defects. Although these enormous number of studies, however, effect of compositional boundary with large composition difference on spinodal decomposition behavior is rarely conducted. In this study, I investigated the effect of coexistence of two different composition areas on spinodal decomposition that BCC phase (α) decompose Fe-rich ferrite phase (α1) and Cr-rich ferrite phase (α2) in Fe-Cr-Mo ternary system at 800K. In this simulation, regular solution model was employed. And magnetic energy effect was ignored. Mobility and gradient energy coefficient values were obtained from literature. The evolution of microstructure was calculated by solving Cahn-Hilliard equation of Cr and Mo simultaneously and to reduce calculation time 1st order semi-implicit Fourier spectral method was used. At First, I simulated spinodal decomposition of some initial compositions on same tie-line. Consequently, when composition is closer the symmetric composition of miscibility gap, irregular and interconnected microstructure is obtained and when initial composition is far from the symmetric composition, spherical and isolated microstructure is obtained as like literatures reporting. Also, from the fact that simulation results agree with thermodynamic equilibrium fraction, composition and theoretical wavelength, the validity of this simulation is conformed. When the interface between two different composition areas exists in the system, the interface become a preference site of spinodel decomposition like other defects such as grain boundary or free surface. Compositional boundary makes compositional wave and it forms parallel microstructure to the interface in vicinity of the boundary. In contrast, microstructure far from interface is determined by the composition of compositional area interior. The microstructure formed by interface penetrates deep into each area if initial composition fluctuation is small. If the compositions of two area are in binodal composition region, phase transformation occur through nucleation and growth rather than spinodal decomposition mechanism. The wavelength and velocity of the compositional wave is varied by the composition of area interior. Therefore, the compositional wave has different shape on either side of the interface. Also, even though the compositions of areas are identical, if the composition difference at interface is larger, the velocity of wave will be faster. But, the final morphology of that area will not be affected.