Molecular dynamics simulations that apply high strain rate to alloys containing zinc are performed, and the effects of zinc and strain rate on the mechanical behaviors of alloys are investigated. Zinc is mainly used for plating and alloying, and is the fourth most used metal for human beings. However, the modified embedded atomic method (MEAM) potential parameters were not available because the axial ratio of zinc is larger than 1.633. The original MEAM potential model using several MEAM parameters developed through existing studies while converting and utilizing the verified embedded atom method (EAM) parameters into MEAM parameters and the 2NN MEAM potential model that considers the relationship of each atom to the second nearest atom are proposed. Using the proposed potential model, molecular dynamics models of aluminum 7075 alloys both with and without the consideration of zinc and copper-zinc alloys with different content of zinc are prepared respectively. The effects of the considering zinc on the alloy and the zinc contents are investigated in several strain rates. As a results of the aluminum alloys, it is observed that the model with the consideration of zinc shows higher ultimate tensile strength than the model without the consideration of zinc. Moreover, suppression of the partial dislocation is noticed when zinc is present. The inclusion of zinc enhances the strength by inhibiting partial dislocation. In addition, the 2NN MEAM potential model, considering the relationship with the second nearest atom in detail, shows more accurate prediction than the original MEAM potential model. As a results of the copper-zinc alloys, it is observed that the strengths of the alloy models decrease as the zinc content increase, and the gradient change of the stress-strain curve is closely related to the transformation of FCC lattice to HCP lattice. Although the MEAM potential and the 2NN MEAM potential show the same trend in the change of the mechanical behavior according to the strain rate of the alloy containing zinc, it is highly recommended to use the 2NN MEAM for accurate calculation of the mechanical behaviors of alloys with various elements. It is expected that MD analysis of various alloys with zinc will be possible by using the MEAM potential and modeling method used in this study.
본 연구에서는 아연을 함유한 합금에 고 변형률의 인장을 가해주는 분자동역학 시뮬레이션을 수행한다. 주로 도금과 합금에 사용되는 아연은 인간이 사용하는 금속 중 네번째로 많이 사용된다. 그러나 아연의 modified embedded atom method (MEAM) 포텐셜 매개변수는 축 비가 1.633보다 크다는 이유로 오랜기간 개발되지 못했다. 과거의 연구를 통해 검증된 아연의 EAM 포텐셜 모델을 MEAM으로 변환한 아연의 MEAM 매개변수와 과거에 개발된 알루미늄, 규소, 마그네슘, 그리고 구리의 MEAM 매개변수를 조합하여 original MEAM 포텐셜을 작성한다. 또한, 과거에 수행된 두개의 연구들을 참고하여 각 원자에서 두번째로 가까운 원자와의 관계를 고려한 2NN MEAM 포텐셜을 작성한다. 알루미늄 7075 합금에 대해 아연이 고려된 모델과 고려되지 않은 모델을 작성하고, 각 모델에 original MEAM 포텐셜과 2NN MEAM 포텐셜을 적용한다. 각 모델의 인장 해석은 네 가지의 변형률로 수행한다. 알루미늄 합금에 아연의 유무가 미치는 영향에 대해 분석해본 결과, 아연이 고려된 모델에서 더 높은 인장강도가 관찰되며, 아연으로 인한 부분 전위의 억제가 관찰된다. 아연으로 인한 부분 전위의 억제가 합금의 응력 향상을 야기한 것으로 판단된다. 또한 2NN MEAM 포텐셜을 적용한 모델이 보다 정확한 예측을 보여준다. 아연의 함유량이 다른 구리-아연 합금의 해석 결과 아연의 함유량이 높아질수록 인장강도가 낮아지는 현상이 관찰되었으며, 응력-변형 곡선의 기울기 변화와 격자의 비율 변화가 밀접하게 연관되어있음을 확인했다. Original MEAM과 2NN MEAM을 활용한 해석을 비교해본 결과 각 합금의 변형률에 의한 기계적 거동 변화 양상에는 큰 차이가 없었다. 그러나 여러 원소가 혼합되어있는 알루미늄 합금의 경우 original MEAM이 과도한 인장강도를 보인 반면 2NN MEAM을 활용한 해석에선 합리적인 인장강도를 나타낸다. 다양한 원소가 혼합되어있는 합금의 경우 정확한 계산을 위해 2NN MEAM을 사용하는것이 권장된다. 본 연구에서 활용한 포텐셜 모델과 분자동역학 모델의 작성법을 활용하여 다양한 합금의 분자동역학 해석이 가능할 것으로 기대한다.
