다상 지르코늄 합금의 미세 구조 거동에 대한 예측 기계 학습 접근법

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 5394(2023) 이 기사 인용

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지르코늄 합금은 고온, 부식성 및 방사선 노출로 특징지어지는 가혹한 환경에서 널리 사용됩니다. 육각형 밀폐형(hcp) 구조를 갖는 이러한 합금은 수소화물 형성으로 인해 가혹한 작동 환경에 노출되면 열-기계적으로 분해됩니다. 이들 수소화물은 매트릭스와는 다른 결정 구조를 갖고 있어 다상 합금이 됩니다. 관련 물리적 규모에서 이러한 재료를 정확하게 모델링하려면 미세 구조 지문을 기반으로 재료를 완전히 특성화해야 합니다. 이는 여기에서 수소화물 기하학, 모체 및 수소화물 질감, 다상 합금의 결정 구조를 포함하는 특징의 조합으로 정의됩니다. 따라서 이 조사에서는 이 미세 구조 지문을 사용하여 미세 구조 변형 및 파괴 모드와 물리적으로 일치하는 임계 파괴 응력 수준을 예측하는 축소 차수 모델링 접근 방식을 개발할 것입니다. 가우시안 프로세스 회귀(Gaussian Process Regression), 랜덤 포레스트 및 다층 퍼셉트론(MLP)을 기반으로 하는 기계 학습(ML) 방법론을 사용하여 재료 파괴 임계 응력 상태를 예측했습니다. MLP(신경망)는 사전에 결정된 세 가지 관심 변형률 수준에 걸쳐 유지 테스트 세트에서 가장 높은 정확도를 보였습니다. 수소화물 배향, 결정립 배향 또는 질감, 수소화물 부피 분율은 임계 파괴 응력 수준에 가장 큰 영향을 미치고 매우 중요한 부분 종속성을 가지며, 이에 비해 수소화물 길이와 수소화물 간격은 파괴 응력에 미치는 영향이 적습니다. 또한 이러한 모델은 미세 구조 지문의 함수로서 공칭 적용된 변형률에 대한 재료 반응을 정확하게 예측하는 데에도 사용되었습니다.

지르코늄 합금은 고온 저항, 내식성 또는 방사선에 대한 낮은 민감성이 요구되는 환경에서 널리 사용됩니다1. 이는 고온 중수에 노출되면 수소 축적으로 인해 미세 구조 내에 결함이 발생할 수 있는 원자로에서 우라늄 피복재로 사용할 수 있습니다2,3. 이러한 결함은 극한 인장 응력, 연성 및 파괴 변형과 같은 지르코늄 합금의 기계적 거동 특성을 저하시키는 것으로 나타났습니다4,5. 이러한 미세 구조적 특성은 장기 보관 및 냉각수 손실 사고(LOCA)와 같은 사고 발생 시 재료 성능에 중요한 역할을 할 수 있습니다6. 그러므로 이러한 물질에 대한 수소화물의 영향을 이해하고 예측하는 것이 필수적입니다.

수소화된 지르코늄 재료에 대한 실험적 연구는 수소화물과 관련된 기하학적 구조와 함께 수소화된 재료가 재료 반응을 특성화하는 데 중요한 역할을 한다는 것을 나타냅니다. 지연 수소화물 균열(DHC) 동안 발생하는 수소화물 형성에 대해 Shi와 Puls는 균열 팁에 석출된 수소화물의 크기와 모양이 응력 강도 계수에 부정적인 영향을 미치고 그에 따라 균열 전파가 발생한다는 결론을 내렸습니다7. Zircaloy-4 시트의 파괴인성은 수소 함량이 증가하고 방사상 방향의 수소화물 비율이 증가함에 따라 감소하는 것으로 실험적으로 나타났습니다8. 온도가 높을수록 연성이 증가하여 균열 전파가 감소하는 것으로 나타났습니다. 수소화물의 파괴에 대한 연구에 따르면 수소화물은 100°C 미만의 온도에서 취성 파손을 일으키는 경향이 있으며 매트릭스는 연성 파손을 나타내는 것으로 나타났습니다9. Colaset al. 는 수소화물 형성의 열 의존성을 더 연구하고 다양한 수소화물 방향의 형성으로 인한 탄성 변형을 정량화했습니다. Sharmaet al. 은 수소화물의 형성에 따라 파괴인성이 감소하고, 방사상 수소화물 형성의 경우 원주방향 수소화물과 비교했을 때 약 80% 감소한다는 사실을 발견했습니다. 수소화된 지르코늄 합금의 피로에 대한 연구에서도 방사상 방향의 수소화물에서 미세 균열 형성이 선호되는 것으로 나타났습니다12.