Quantitative Elucidation of Athermal Effects Induced by Electric Current: A Thermodynamic Approach to Equilibrium Shift = 전류에 의해 유도된 비열적 효과의 정량적 규명: 평형 이동에 대한 열역학적 접근

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The phase stability of metals is determined by thermodynamic state variables such as temperature, pressure, and composition. Recently, it has been reported that electric current alters atomic bonding and accelerates microstructural changes, indirectly suggesting significant change in thermodynamic free energy. However, the focus has been primarily on microstructural changes accompanying kinetic barriers such as atomic diffusion. Here, we demonstrate that application of electric current to pure metal changes the thermodynamic stability and decreases the critical temperature of massive solid-state transformation. Transformation temperatures under heat treatment and electrothermal treatment were estimated from the changes in the microstructure, calorimetry, real-time diffraction pattern, and dilatation. Furthermore, to understand the role of electric current in transformation, finite element analysis and molecular dynamic simulations were conducted. A significant decrease in the transformation temperature of titanium and steel under electrothermal treatment becomes more pronounced with increasing current density and decreasing grain size. Electric current concentrating at grain boundaries may form charge imbalance regions, and subsequently destabilizes the parent phase, leading to decreased transformation temperature. This direct and systematic understanding demonstrates that electric current modifies thermodynamic stability of material, and furthermore, it allows us to predict the materials’ behavior under electric current.

국문 초록 (Abstract)

금속의 상 안정성은 온도, 압력, 조성과 같은 열역학적 상태변수에 의해 결정된다. 최근, 전류의 인가가 원자 간 결합에 영향을 주고 미세조직 변화를 가속화한다는 연구들이 보고되었으며, 이는 재료의 자유에너지에 유의미한 변화가 발생함을 간접적으로 시사한다. 그러나 대부분의 선행 연구들은 원자 확산과 같은 속도론적 장벽을 수반하는 미세조직 변화에 초점을 맞추고 있다. 본 연구에서는 순금속에 전류를 인가할 경우 열역학적 안정성이 변화하며, 고상 매시브 상변태의 임계 온도가 낮아짐을 실험적으로 입증하였다.
열처리와 전류 기반 열처리 하에서의 상변태 온도는 미세조직 변화, 시차열분석, 실시간 회절 패턴 및 팽창계수 분석을 통해 추정되었다. 또한, 전류가 상변태 거동에 미치는 영향을 이해하기 위해 유한요소해석과 분자동역학 시뮬레이션을 병행하였다. 실험 결과, 티타늄과 철 시편 모두에서 전류 인가 시 상변태 온도는 현저히 감소하였으며, 이 경향은 전류 밀도가 높고 결정립 크기가 작을수록 더욱 뚜렷하게 나타났다.
특히, 결정립계에서의 전류 집중은 국부적인 전하 불균형 영역을 형성할 수 있으며, 이는 모상의 열역학적 안정성을 저하시켜 상변태 온도를 낮추는 원인이 되는 것으로 분석되었다. 본 연구는 전류가 금속 재료의 열역학적 자유에너지 상태를 직접적으로 변화시킬 수 있음을 체계적으로 입증하였으며, 전류 인가 하에서 재료의 거동을 예측하고 설계하는 데 새로운 이론적 기반을 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Electrically assisted manufacturing 1
• 1.2 Limitations of existing research 7
• 1.3 Research objective 9
• 1.4 References 10
• Chapter 2. Experimental verification of current-induced reduction in massive transformation temperature 16
• 2.1 Introduction 16
• 2.2 Experimental procedures 19
• 2.2.1 Materials and sample preparations 19
• 2.2.2 Microstructure characterization 28
• 2.2.3 In situ diffraction analysis 29
• 2.3 Results and discussion 32
• 2.3.1 CP-Ti 32
• 2.3.2 IF steel 49
• 2.4 Conclusion 57
• 2.5 References 59
• Chapter 3. Thermodynamic interpretation of electric current-induced athermal effects 60
• 3.1 Introduction 60
• 3.2 Experimental procedures 62
• 3.2.1 Finite element simulation 62
• 3.2.2 First-principles molecular dynamics simulation 66
• 3.3 Results and discussion 67
• 3.3.1 Multi-cycle phase transformation 67
• 3.3.2 Non-uniform current distribution near grain boundaries 71
• 3.3.3 Atomic-scale simulation of charge-imbalanced regions 78
• 3.3.4 Quantification of charge imbalance-induced free energy shift and construction of a pseudo-phase diagram 86
• 3.4 Conclusion 93
• 3.5 References 95
• Chapter 4. Conclusion 97
• 4.1 Overall Conclusion 97
• 4.2 Future suggestions 101
• 4.3 Original contribution of knowledge 105
• 국문초록 108