【브레이크뉴스 포항】박영재 기자=금속은 강도를 높이면 쉽게 깨지고, 유연성을 높이면 약해지는 ‘강도-연성 딜레마’를 안고 있다. 이러한 난제를 해결할 새로운 접근법을 POSTECH(포항공과대학교) 연구진이 제시했다.
 ▲ 석출 비율 제어를 통한 헤테로 구조 형성과 고엔트로피 합금 성능 향상 모식도 © 포스텍 |
POSTECH 친환경소재대학원·신소재공학과 김형섭 교수 연구팀은 합금 내부에 ‘헤테로(hetero) 미세 구조’를 형성하는 전략을 통해 금속의 강도와 연성을 동시에 높이는 데 성공했다고 밝혔다. 이번 연구 결과는 재료과학 분야 학술지 Materials Research Letters 온라인판에 최근 게재됐다.
항공우주와 에너지, 국방 분야에서는 극한 환경에서도 높은 강도와 내구성을 유지할 수 있는 소재가 필수적이다. 이러한 요구 속에서 주목받는 소재가 ‘고엔트로피 합금’이다. 일반 합금이 특정 금속을 중심으로 다른 원소를 소량 첨가하는 방식이라면, 고엔트로피 합금은 여러 금속 원소를 거의 동일한 비율로 혼합해 독특한 결정 구조를 형성한다. 이로 인해 기존 합금보다 강도와 내구성, 내식성에서 뛰어난 특성을 보인다.
연구자들은 그동안 고엔트로피 합금의 강도를 높이기 위해 금속 내부에 미세 입자를 분산시키는 ‘석출 강화’ 기법을 활용해 왔다. 그러나 강도가 높아질수록 금속이 쉽게 늘어나지 못하는 강도-연성 딜레마는 여전히 해결되지 않은 과제로 남아 있었다.
이에 연구팀은 금속 구조를 균일하게 강화하는 기존 방식에서 벗어나 서로 다른 특성을 가진 영역을 공존시키는 ‘헤테로 구조’ 설계 전략을 도입했다. 금속 내부에 경한 영역과 상대적으로 연한 영역을 함께 배치해 구조적 대비를 만드는 방식이다.
연구팀은 고엔트로피 합금에서 나타나는 두 가지 석출 방식인 ‘연속 석출’과 ‘불연속 석출’에 주목했다. 열처리와 기계적 가공 조건을 정밀하게 조절해 두 구조의 비율을 달리한 합금을 제작하고 기계적 특성을 비교한 결과, 불연속 석출이 많이 형성된 헤테로 합금에서 항복 강도와 변형 경화 능력이 모두 향상되는 것으로 나타났다.
이는 단단한 영역과 상대적으로 연한 영역이 함께 존재하면서 서로 다른 속도로 변형이 일어나고, 이 과정에서 내부 저항이 증가해 금속이 변형될수록 더욱 단단해지는 ‘헤테로 변형 강화 효과’가 발생하기 때문이라고 연구팀은 설명했다. 결과적으로 기존 합금보다 높은 강도와 안정적인 변형 특성을 동시에 구현할 수 있었다.
이번 연구의 또 다른 특징은 별도의 새로운 설비나 복잡한 제조 공정 없이 구현이 가능하다는 점이다. 산업 현장에서 널리 사용되는 열처리와 기계 가공 공정만으로도 해당 구조를 형성할 수 있어 실제 산업 적용 가능성이 높다는 평가다.
김형섭 교수는 “차세대 고강도 구조용 합금이 필요한 다양한 산업 분야에서 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단의 나노 및 소재기술개발사업 지원으로 수행됐으며, 논문 제1저자인 이재흥 씨는 한국연구재단의 ‘2025년도 이공분야 학문후속세대 지원사업(박사과정생 연구장려금 지원사업)’의 지원을 받았다.
<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>
POSTECH Research Team Presents Solution to Metal's 'Strength-Ductility Dilemma': Simultaneously Improving Performance with Heterostructure
Metals face the "strength-ductility dilemma," where increasing strength leads to brittleness, while increasing flexibility weakens them. Researchers at POSTECH have presented a new approach to resolving this challenging issue.
Professor Hyung-Seop Kim's research team from POSTECH's Graduate School of Eco-Friendly Materials and Department of Materials Science and Engineering announced that they have successfully enhanced both strength and ductility in metals through a strategy of forming "heterostructures" within alloys. The results of this research were recently published online in the materials science journal Materials Research Letters.
In the aerospace, energy, and defense industries, materials that maintain high strength and durability even in extreme environments are essential. High-entropy alloys (HEA) are attracting attention amidst this demand. While conventional alloys utilize a specific metal as the base, with small additions of other elements, HEA combines multiple metallic elements in nearly equal proportions to form a unique crystal structure. This results in superior strength, durability, and corrosion resistance compared to conventional alloys.
Researchers have utilized the "precipitation strengthening" technique, which disperses fine particles within the metal, to enhance the strength of high-entropy alloys. However, the strength-ductility dilemma, where the metal becomes less elongated as strength increases, remains an unresolved issue.
In response, the research team moved beyond the conventional method of uniformly strengthening the metal structure and introduced a "heterostructure" design strategy that coexists with regions of different properties. This method creates structural contrast by placing hard and relatively soft regions within the metal.
The research team focused on two precipitation modes found in high-entropy alloys: "continuous precipitation" and "discontinuous precipitation." They precisely controlled heat treatment and mechanical processing conditions to create alloys with varying ratios of the two structures and compared their mechanical properties. They found that heterostructures with a high proportion of discontinuous precipitation exhibited improved yield strength and strain hardening capacity.
The research team explained that this is because the coexistence of hard and relatively soft regions causes deformation at different rates, resulting in a "hetero-strain strengthening effect," where the metal becomes stronger as it deforms. This process increases internal resistance, resulting in higher strength and more stable deformation characteristics than existing alloys.
Another key feature of this research is that it can be implemented without requiring new equipment or complex manufacturing processes. The structure can be formed using heat treatment and machining processes widely used in industrial settings, indicating high potential for practical industrial application.
Professor Kim Hyung-seop stated, "We anticipate that next-generation high-strength structural alloys will be widely utilized in various industrial fields."
This research was supported by the National Research Foundation of Korea's Nano and Materials Technology Development Program. First author Lee Jae-heung also received support from the National Research Foundation's "2025 Science and Engineering Academic Support Program (Doctoral Research Grant Support Program)."
원본 기사 보기:브레이크뉴스 대구경북
