| 시안교통대학, 수소유도에 의한 계면 파괴의 새로운 메커니즘을 발견 | ||
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 최근 시안교통대학 금속재료강도국가중점실험실 마이크로나노척도재료행위연구센터(CAMP-Nano) 연구팀은 수소기포 핵생성 계면의 동적상태 진화가 수소유도에 의한 계면 파괴의 메커니즘을 규명하는 핵심요인이라는 것을 발견하였다. 해당 성과는 “In situ study of the initiation of hydrogen bubbles at the aluminum metal/oxide interface”라는 제목으로 2015년 6월 29일 “Nature Materials”저널에 온라인으로 발표되었다. 금속재료는 수소와 결합하면서 항복 강도보다 훨씬 낮은 응력수준에서도 취성파괴(brittle fracture)를 일으키는데 이는 금속재료의 가장 위험한 파괴 방식이다. 수소유도에 의한 기포 생성이 바로 수소취성의 표현 형식이다. 기존의 이론에 의하면 수소 기포 생성 원인은 금속재료에 내포된 수소가 계면에 집결되면서 거대한 압력을 형성하여 표면층 재료에서 부풀어오르는 현상을 초래한다. 해당 이론은 수소 기포의 생장원인을 규명할 수 있지만 수소 기포의 핵 생성 원인은 규명할 수 없다. 그 원인은 해당 이론에 의하면 수소 기포의 핵 생성 응력이 금속 기질의 항복 강도를 휠씬 초과해야만 금속재료의 소성변형(plastic deformation)을 일으키기 때문이다. 이는 기존의 재료학 인식과 가설에 어긋난다. 연구팀은 기존의 쐐기형 샘플을 원통형 샘플로 바꾼 다음, 성능이 독특한 환경투과전자현미경(Environmental TEM)을 이용하여 알루미늄과 그 표면 산화물 계면에서 수소 기포의 핵 생성과 성장의 전반 과정을 관찰하였다. 그 결과 수소 원자는 표면 산화층에서 자유롭게 이동할 수 있었다. 그러나 일단 알루미늄과 산화알루미늄 사이의 계면에 들어가게 되면 수소 원자는 알루미늄과 산화알루미늄 사이의 결합 강도를 크게 약화시켜 인접 계면의 알루미늄 원자가 속박을 벗어나 자유롭게 이동하도록 만든다. 표면 에너지 최소화의 구동아래, 계면에 위치한 알루미늄의 한쪽 측면에는 먼저 저 에너지 결정면에 의해 확정된 미세 홀(Small hole)이 형성되는데, 이 미세 홀이 임계크기까지 생장한 후 해당 공간 내의 수소 원자는 다시 수소 분자를 형성한다. 이 과정에서 생성되는 압력은 표면 산화층의 소성 변형을 일으키기에 충분하다. 이때 형성된 기포의 위치와 크기는 뚜렷한 결정체학 의존성을 나타낸다. 이 발견은 백년 역사가 있는 수소취성의 메커니즘 연구에 중요한 촉진 역할을 한다. 정보출처 : http://laser.ofweek.com/2015-07/ART-8500-2400-28983186.html |
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