The fact that geometry benefits mechanical properties of metals and alloys renders them polycrystalline in nature. Over a past decade, there has been an active research on architectural microstructures with superior mechanical properties. Most of them, however, are designed to have only either crystalline or amorphous geometric features. In this paper, we presented a systematic and simple design strategy to create macro-scale microstructures by mimicking the micro-scale features of polycrystalline materials. These microstructures are shown to exhibit unique properties under extreme conditions of large deformation and cyclic loading by virtue of the benefits of geometric features inherent in metals and alloys. The microstructures are fabricated via high-resolution/multi-material 3D printer. We conducted plane-strain compression tests and employed non-linear constitutive models of two constituent materials for numerical simulations. We examined whether the phenomenological feature of increase in the mechanical strength as grain-size decreases widely observed in metals can be found in the microstructures. Furthermore, we investigated the applicability of the role of high-angle grain boundaries in stopping crack propagation to these microstructures through understanding the effect of geometric features on reusability under conditions of cyclic loading. Our results are anticipated to offer a potential of designing microstructures with superior mechanical properties in extreme conditions as well as enhanced initial stiffness and strength for all loading directions.
자연 속 대부분의 금속 및 합금이 다결정 구조를 갖는 이유로 기하 구조가 재료의 기계적 특성에 미치는 이점들을 생각해볼 수 있다. 공학 분야에서도 지난 십 년 간 단지 구성 재료 뿐만 아니라 기하 구조로부터 기인한 우수한 기계적 성능을 갖는 마이크로구조에 대한 연구가 활발히 진행되어져 왔지만 대부분 결정질 또는 비정질 구조를 갖도록 설계되었다. 본 연구에서는 다결정 구조를 모방하여 거시적 스케일의 다결정 기반 마이크로구조체를 설계하는 방법을 제시하고, 기존의 결정질 또는 비정질 구조를 갖는 마이크로구조체에서 정의할 수 없었던 기하 파라미터들을 통해 실제 다결정 재료가 기하 구조로부터 갖는 이점들이 적용되어 대변형 및 반복 하중 거동과 같은 익스트림 조건에서 우수한 성능을 갖는 마이크로구조체를 구현하였다. 고분해능/다재료 3D 프린터를 통해 제작된 마이크로구조체에 대한 평면 변형률 조건에서의 압축 실험 뿐만 아니라 구성 재료의 비선형 구성 모델에 기반한 수치적 시뮬레이션을 수행하였다. 먼저, 다결정 기반 마이크로구조체의 기계적 강성 및 강도와 다결정 구조 사이의 관계를 분석하며 일반적으로 금속에서 보이는 결정 크기가 감소할수록 기계적 강도가 증가하는 현상의 적용 가능성을 다루었다. 더 나아가, 다결정 구조가 반복 하중 조건에서 마이크로구조체의 재사용적 측면에 미치는 영향을 통해 크랙 전파를 효율적으로 막아주는 고각입계의 역할이 나타남을 확인하였다. 이러한 결과는 다결정 구조를 도입함으로써 특정 하중 방향에 국한되지 않고 모든 하중 방향에 대해 향상된 초기 강성 및 기계적 강도를 가지며, 동시에 대변형 및 반복 하중 조건과 같은 익스트림 환경에서도 우수한 기계적 성능을 갖는 마이크로구조체의 구현이 가능함을 보여준다.
