Study on Temperature-Dependent Migrating Boundary-Induced Plasticity = 온도 의존성 이동 경계 유도 소성에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

항공우주, 자동차, 에너지 등의 첨단 산업 분야에서는 수백 도씨 이상의 고온 환경에서 장시간 기계적 성능을 안정적으로 유지할 수 있는 재료를 요구한다. 일반적으로 소재의 항복 강도 이하의 매우 낮은 응력이 지속적으로 가해지는 고온 환경에서는 크리프(creep), 변태 소성(transformation plasticity), 입계 미끄러짐(grain boundary sliding)과 같은 전통적인 소성 변형 현상이 점진적으로 나타날 수 있다. 이와 같은 현상은 장기간 운용 중인 기계 부품에 미세하지만 지속적인 변형을 축적시키고, 최종적으로는 치명적인 손상을 야기할 수 있다. 따라서 실제 산업 환경에서 부품의 신뢰성 및 수명을 정확히 예측하기 위해서는, 고온에서 발생하는 소성 변형 현상을 보다 정확하고 근본적으로 이해하고 정량화할 필요가 있다.
최근 기존의 전통적인 고온 변형 메커니즘으로는 충분히 설명할 수 없었던 새로운 유형의 소성 변형 메커니즘으로서, ‘이동 경계 유도 소성(Migrating Boundary-Induced Plasticity, MBIP)’이 제안되었다. MBIP는 외부 응력이 작게 작용하는 고온 환경에서 결정립계가 열적으로 활성화되어 이동함에 따라 국부적인 원자 구조의 재배열 및 공공(vacancy)의 생성 및 소멸이 일어나 비가역적인 소성 변형이 축적되는 현상이다. 이러한 MBIP 메커니즘의 발견과 그 기본적인 이해는 고온에서의 재료 거동에 대한 새로운 시각을 제공하였으며, 고온 변형 현상의 보다 정밀한 이해와 예측에 중요한 발판을 마련하였다. 하지만 기존 MBIP 모델이 보다 다양한 온도 조건과 광범위한 금속 재료 시스템에 적용될 수 있도록 일반화하기 위해서는 온도 의존적 미세구조 변화, 특히 온도에 따른 결정립 성장 정체(stagnation) 현상을 명확히 이해하고 이를 엄밀히 반영한 모델의 구축이 요구되었다.
본 연구는 이러한 요구를 충족시키기 위해, 원자 단위에서의 정밀한 분자 동역학(Molecular Dynamics, MD) 시뮬레이션과 실제 금속 재료를 이용한 고정밀 실험적 방법을 결합하여 MBIP 현상의 온도 의존적 특성을 명확하게 분석하였다. 먼저, 원자 단위 MD 시뮬레이션을 통해 다결정 타이타늄과 철을 대상으로 다양한 온도 및 저응력 조건에서 결정립계 이동 및 그로 인한 MBIP 변형의 축적 과정을 체계적으로 관찰하였다. 그 결과 온도가 높아질수록 결정립계의 이동 속도가 증가하고, 이에 따라 MBIP 변형이 보다 뚜렷하고 빠르게 축적되는 양상을 확인하였다. 특히, 온도의 상승과 함께 결정립계 이동이 특정 시점에서 정체되는(stagnation) 현상이 발생하며, 이는 MBIP 변형의 궁극적인 크기와 변형률 축적률을 결정짓는 매우 중요한 요소로 밝혀졌다.
이러한 원자 단위의 이해를 바탕으로, 본 연구에서는 온도 의존적인 결정립 성장 정체 현상을 명시적으로 반영하여 MBIP 모델을 보다 일반적으로 발전시켰다. 이 모델은 고온에서 결정립 성장의 최종 정체 크기(stagnated grain size)와 MBIP 변형을 유발하는 데 필요한 공공 형성 활성화 에너지(vacancy formation energy)를 명확히 정의하고 포함시킴으로써, 다양한 온도 및 재료 조건에서 보다 정확하게 MBIP 변형량과 변형 속도를 예측할 수 있도록 하였다.
새롭게 발전시킨 MBIP 모델의 타당성을 검증하기 위해, 고순도 타이타늄을 이용한 고온 열팽창계(dilatometer) 실험을 수행하였다. 실험을 통해 외부 응력이 거의 존재하지 않는 조건에서도 고온 노출 시간이 증가함에 따라 미세하지만 명확한 MBIP 변형이 축적됨을 확인하였다. 특히, 고온에서의 실험 결과와 제안된 MBIP 모델의 예측 결과가 매우 우수한 일치성을 보여주었으며, 타이타늄뿐만 아니라 철 시스템의 MD 시뮬레이션 결과와의 비교에서도 모델의 일반성과 예측 정확성을 성공적으로 입증하였다.
본 연구는 MBIP 메커니즘이 기존의 전통적 고온 변형 메커니즘과 명확히 구별되는 새로운 독립적 변형 메커니즘임을 원자 및 실험적 수준에서 입증하고, 온도의 영향을 엄밀히 고려한 새로운 모델링 접근법을 통해 다양한 고온 재료 시스템의 변형 거동을 더욱 정밀하고 신뢰성 있게 예측할 수 있도록 하는 데 그 학술적, 공학적 의의가 있다. 향후 본 연구의 결과는 고온 부품의 장기적 운용 성능 및 유지 보수 계획의 수립에 중요한 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Advanced industries such as aerospace, automotive, and energy require materials capable of reliably maintaining their mechanical performance under prolonged high-temperature conditions, typically several hundred degrees Celsius. In such high-temperature environments, even under stresses below the material's yield strength, conventional deformation mechanisms such as transformation plasticity and creep can occur. These mechanisms may cause gradual deformation accumulation, potentially leading to eventual failure of critical components during operation. Thus, accurately understanding and controlling complex deformation behaviors at elevated temperatures is critical from an industrial perspective, necessitating a fundamental and quantitative understanding of high-temperature plastic deformation mechanisms.
Recently, a novel deformation mechanism termed Migrating Boundary-Induced Plasticity (MBIP) was proposed to explain deformation phenomena inadequately described by traditional mechanisms. MBIP refers to irreversible plastic deformation arising from localized atomic rearrangements and vacancy generation/annihilation processes associated with thermally activated grain boundary migration under low-stress, high-temperature conditions. The identification and foundational understanding of the MBIP mechanism have provided new insights into high-temperature deformation behavior, laying important groundwork for precise modeling of such phenomena. However, to broaden the applicability of existing MBIP models across various materials and temperature ranges, it became necessary to explicitly incorporate temperature-dependent microstructural changes—particularly the grain-growth stagnation phenomenon—into the theoretical framework.
In this study, systematic atomistic analyses using molecular dynamics (MD) simulations, coupled with precise experimental approaches, were employed to investigate temperature-dependent characteristics of the MBIP phenomenon. Initially, atomistic MD simulations were conducted on polycrystalline titanium and iron models under diverse high-temperature and low-stress conditions. These simulations clearly revealed that grain boundary migration rates accelerated at higher temperatures, correspondingly enhancing the accumulation of MBIP strain. Particularly, grain-growth stagnation, a phenomenon where grain boundary migration slows and eventually halts at a certain critical grain size, was found to significantly influence the magnitude and rate of MBIP strain accumulation. Notably, MBIP strain develops rapidly during the early stage of GB migration and then continues at a reduced, steady rate.
Based on these atomistic insights, the current research extended the MBIP modeling framework to explicitly incorporate the temperature-dependent grain-growth stagnation phenomenon, by extending the Coble‑creep framework to incorporate grain‑boundary‑migration velocity. This advancement involved clearly defining and integrating critical physical parameters—such as the stagnated grain size and activation energy for vacancy formation—into the model. As a result, the newly developed MBIP model can accurately predict MBIP-induced deformation magnitudes and strain rates under various temperature conditions and across different material systems.
To verify the validity of the enhanced MBIP model, experimental dilatometry tests were performed using high-purity titanium under near-stress-free conditions. Experiments clearly demonstrated the measurable accumulation of MBIP strain over extended high-temperature exposure, even in the absence of substantial external stress. Importantly, these experimental results showed excellent agreement with predictions from the proposed MBIP model, underscoring its accuracy and general applicability. Furthermore, the model’s generality and predictive accuracy were also confirmed through additional MD simulations conducted on an iron system, providing strong support for the universality of the MBIP phenomenon.
In conclusion, this research demonstrates that MBIP constitutes a distinct deformation mechanism, fundamentally distinguishable from traditional high-temperature deformation mechanisms. By systematically incorporating temperature-dependent effects such as grain-growth stagnation, the newly developed MBIP modeling approach significantly improves the precision and reliability of predicting high-temperature deformation behaviors across diverse material systems. This study thus has both theoretical and practical significance, offering robust scientific foundations for improving the reliability of material deformation predictions in various industrial applications exposed to prolonged high-temperature environments. Future work based on this research is expected to provide critical foundational insights for the accurate assessment of long-term operational performance and maintenance strategies of high-temperature engineering components, including long‑term stability and service‑life assessments.

목차 (Table of Contents)

• ABSTRACT I
• Contents V
• List of figures VIII
• List of tables XV
• Chapter 1. Introduction and Motivation 1
• 1.1 Background of High-Temperature Deformation in Metallic Materials 1
• 1.2 Emergence of Migrating Boundary-Induced Plasticity (MBIP) 3
• 1.3 Research Objectives and Scope of Thesis 5
• Chapter 2. Theoretical Background and Concept of MBIP 10
• 2.1 Classical Deformation Mechanisms at High-Temperatures 10
• 2.1.1 Transformation Plasticity 10
• 2.1.2 Creep 13
• 2.1.3 Grain Boundary Sliding (GBS) 15
• 2.2 Migrating Boundary-Induced Plasticity (MBIP): Conceptual Introduction 16
• Chapter 3. Molecular Dynamics Simulations of Grain Boundary Migration-Induced Plasticity 19
• 3.1 Overview and Objectives of the Simulation 19
• 3.2 Simulation Setup and Computational Parameters 21
• 3.3. Quantitative Isolation of MBIP-Induced Strain 23
• 3.4. Implications of MD simulations 28
• 3.4.1. MBIP strain accumulation 29
• 3.4.2. Evidence of MBIP 30
• 3.4.3. Tracking Grain Boundary Migration in Atomistic Simulations 33
• Chapter 4. Modeling of Temperature-Dependent MBIP Behavior 61
• 4.1. Normalization of the Effective Diffusion Path in the MBIP Model 61
• 4.2 Derivation of Final Grain Size 69
• 4.3. Arrhenius Estimation of Vacancy Formation Energy in the MBIP Model 71
• Chapter 5. Experimental Validation Strategy for the MBIP Model 75
• 5.1. Objective and Strategy of the Experimental Approach 75
• Chapter 6. Integrated Analysis and Discussion 88
• 6.1 Experimental Observation of MBIP Strain 88
• 6.2 Verification of MBIP Model Generality via Fe-Based Molecular Dynamics Simulations 91
• 6.3 Parameter Extraction for the MBIP Model: Stagnated Grain Size and Activation Energy 93
• 6.3.1 Stagnated Grain Size 93
• 6.3.2 Quantification of Vacancy Formation Energy in the MBIP Regime 97
• 6.4 Validation of the MBIP Model: Agreement with Experimental and Simulation Data 101
• 6.5 MBIP as a Distinct High-Temperature Plasticity Mechanism 104
• 7. Conclusion 136
• 7.1 Summary of Key Findings 136
• 7.2 Scientific and Engineering Contributions 138
• 7.3 Limitations and Future Directions 141
• 8. Reference 145
• 국문초록 156