[학위논문]반응고/반용융 제조법으로 제조된 Al-Si-Mg 주조합금의 피로 및 파괴 특성 Fatigue and Fracture Characteristics of Al-Si-Mg Cast Alloy Manufactured by Semi-Solid/Liquid Processes원문보기
Al-Si-Mg 주조합금은 좋은 주조성과 고강도의 특성 때문에 광범위하게 사용되고 있다. 이중 A356은 Al-Si-Mg 계열 합금 가운데 가장 널리 쓰이고 있는 합금이다. 예를들어 항공기나 자동차 등에 기존에는 주로 7000계나 2000계 합금이 사용되어 왔으나 최근에는 주조기술이 발달하면서 주조용 합금도 수송기의 부품재료 또는 우수한 피로 특성이 요구되는 구조재료에까지 이용되고 있는 실정이다. 이 합금의 응고 조직은 결정립, 초정 알루미늄 dendrite셀 간격, 공정 Si 입자 및 기공 등으로 구성되어 있으며, 이런 응고조직들은 피로 및 파괴특성에 커다란 영향을 미친다. 그러므로 피로 및 파괴 특성을 향상시키기 위해서는 이와 같은 응고조직의 제어가 절대적으로 필요하다. 본 연구에서 사용한 Semi-solid process는 위의 조건을 충족시킬 수 있는 제조 방법이다. 본 연구의 목적은 ...
Al-Si-Mg 주조합금은 좋은 주조성과 고강도의 특성 때문에 광범위하게 사용되고 있다. 이중 A356은 Al-Si-Mg 계열 합금 가운데 가장 널리 쓰이고 있는 합금이다. 예를들어 항공기나 자동차 등에 기존에는 주로 7000계나 2000계 합금이 사용되어 왔으나 최근에는 주조기술이 발달하면서 주조용 합금도 수송기의 부품재료 또는 우수한 피로 특성이 요구되는 구조재료에까지 이용되고 있는 실정이다. 이 합금의 응고 조직은 결정립, 초정 알루미늄 dendrite셀 간격, 공정 Si 입자 및 기공 등으로 구성되어 있으며, 이런 응고조직들은 피로 및 파괴특성에 커다란 영향을 미친다. 그러므로 피로 및 파괴 특성을 향상시키기 위해서는 이와 같은 응고조직의 제어가 절대적으로 필요하다. 본 연구에서 사용한 Semi-solid process는 위의 조건을 충족시킬 수 있는 제조 방법이다. 본 연구의 목적은 알루미늄 합금의 피로 및 파괴특성의 보다 더 근본적인 이해를 발전시키는 것이다. 본 연구에서 조대한 응고조직을 효과적으로 제어하기 위해서 사용된 Semi-solid process는 Semi-solid casting, Thixocasting, Rheocasting법이다. 제조조건에 따른 Al-Si-Mg 합금의 응고조직이 파괴 특성에 미치는 영향을 조사하기 위해 인장시험, 파괴인성시험을 실시하였으며, 피로 특성을 관찰하기 위해서 피로균열 성장시험, 고 싸이클 피로시험, 저 싸이클 피로시험을 실시하였다. 파괴인성 시험과 피로균열 전파 시험에서는 CT 시험편을 사용했다. 파괴인성 시험에서는 제조조건이 상이한 thixocasting한 합금의 파괴특성에 미치는 영향을 조사하였으며 시험편 두께가 충분하지 못해 K_IC 대신 K_Q를 측정하여 비교하였다. 피로균열 성장 시험은 일정응력 진폭의 조건으로 행하여 da/dN 관계를 조사하였다. 피로균열 길이는 replica film을 이용하여 측정하였고, 배면변형률 측정법으로 결정립크기와 공정 Si 입자의 형상에 따른 균열 닫힘 현상을 측정하였다. 특히 구상의 α-Al과 미세한 결정립을 갖는 반응고/반용융 가압성형합금의 K_th 에 관한 연구는 거의 전무한 상태인데, 본 연구에서는 피로균열성장이 발생가능한 응력확대계수를 의미하는 threshold 응력확대계수 △K_th를 측정하였다. 또한 침상의 Si 입자를 갖는 합금과 미세한 구상의 공정 Si 입자를 갖는 합금에서 변형장내의 내부응력의 변화와 반응고 가압주조재의 피로균열 발생 거동을 관찰하기 위해 항복강도 이상의 음력에서 일정 변형률제어 low cycle 피로시험을 실시하였다. 고 싸이클 피로시험은 회전 굽힘 피로시험을 실시하였으며, 금형주조재와 반응고 가압주조재의 피로강도를 측정하여 구상의 응고조직이 피로특성과 피로균열 전파에 미치는 영향을 조사하였다. 다음은 본 실험에서 얻어진 결과들을 요약한 것이다. Semi-solid casting에서 공정 Si 입자와 결정의 크기, 구상화 비는 응고속도와 전자기력의 증가에 따라서 감소되었다. thixocasting에서는 재가열 온도가 증가함에 따라서 초정 α와 결정의 크기가 증가되었지만, 공정 Si 입자의 크기와 구상화 비는 감소되었다. thixocast의 파괴인성은 공정 Si 입자의 미세화 및 구상화 됨으로 인해 재가열 온도가 증가함에 따라 증가하였다. 조대한 침상의 Si 입자들은 낮은 △K에서 피로균열 성장을 억제하였다. 이는 균열 전파 시 균열 닫힘 현상이 발생하여 균열 첨단에 전달되는 유효응력확대계수가 낮아졌기 때문이고 또한 피로균열 첨단부의 소성영역에서 침상의 Si 입자를 가진 합금에서 더 큰 가공경화 현상이 발생되어 균열 전파 속도가 낮아졌다. 그러나 높은 ΔK에서는 침상의 피로균열 성장 속도를 가속화 시켰고 결국 낮은 파괴응력확대계수(△K_fc)를 나타내었다. thixocasting법으로 제조된 Al-Si-Mg 합금은 미세한 공정 Si 입자들로 강화되어 피로균열 성장 시험시 균열이 안전하게 성장하는 것이 나타났다. 재가열 온도 조건에서는 580℃에서 제조된 thixocast가 미세한 공정 Si 입자들을 갖는 다른 thixocast에 비해 피로균열 성장속도가 △K의 증가에 따라 가속되었으며 파괴응력확대계수가 낮게 나타났다. rheocast재에서 피로강도와 피로수명에 미치는 미세조직적 인자로는 극치통계 좌표값을 이용하여 확인해 보았을 때 Si 입자의 크기보다는 Si 입자 그룹(cluster)의 영향이 큰 것으로 관찰되었다. rheocast재의 피로수명이 금형 주조재에 비해서 약 10배 정도 큰 것으로 예상할 수 있었으며 저 싸이클 피로시험을 통해 확인해 본 결과 실제 실험에서도 이와 비슷한 것으로 나타났다. rheocast재의 고 싸이클 피로시험에서 피균열은 Si 입자에서부터 시작되어 공정 a boundary를 따라 성장된다는 것이 관찰되었다.
Al-Si-Mg 주조합금은 좋은 주조성과 고강도의 특성 때문에 광범위하게 사용되고 있다. 이중 A356은 Al-Si-Mg 계열 합금 가운데 가장 널리 쓰이고 있는 합금이다. 예를들어 항공기나 자동차 등에 기존에는 주로 7000계나 2000계 합금이 사용되어 왔으나 최근에는 주조기술이 발달하면서 주조용 합금도 수송기의 부품재료 또는 우수한 피로 특성이 요구되는 구조재료에까지 이용되고 있는 실정이다. 이 합금의 응고 조직은 결정립, 초정 알루미늄 dendrite셀 간격, 공정 Si 입자 및 기공 등으로 구성되어 있으며, 이런 응고조직들은 피로 및 파괴특성에 커다란 영향을 미친다. 그러므로 피로 및 파괴 특성을 향상시키기 위해서는 이와 같은 응고조직의 제어가 절대적으로 필요하다. 본 연구에서 사용한 Semi-solid process는 위의 조건을 충족시킬 수 있는 제조 방법이다. 본 연구의 목적은 알루미늄 합금의 피로 및 파괴특성의 보다 더 근본적인 이해를 발전시키는 것이다. 본 연구에서 조대한 응고조직을 효과적으로 제어하기 위해서 사용된 Semi-solid process는 Semi-solid casting, Thixocasting, Rheocasting법이다. 제조조건에 따른 Al-Si-Mg 합금의 응고조직이 파괴 특성에 미치는 영향을 조사하기 위해 인장시험, 파괴인성시험을 실시하였으며, 피로 특성을 관찰하기 위해서 피로균열 성장시험, 고 싸이클 피로시험, 저 싸이클 피로시험을 실시하였다. 파괴인성 시험과 피로균열 전파 시험에서는 CT 시험편을 사용했다. 파괴인성 시험에서는 제조조건이 상이한 thixocasting한 합금의 파괴특성에 미치는 영향을 조사하였으며 시험편 두께가 충분하지 못해 K_IC 대신 K_Q를 측정하여 비교하였다. 피로균열 성장 시험은 일정응력 진폭의 조건으로 행하여 da/dN 관계를 조사하였다. 피로균열 길이는 replica film을 이용하여 측정하였고, 배면변형률 측정법으로 결정립크기와 공정 Si 입자의 형상에 따른 균열 닫힘 현상을 측정하였다. 특히 구상의 α-Al과 미세한 결정립을 갖는 반응고/반용융 가압성형합금의 K_th 에 관한 연구는 거의 전무한 상태인데, 본 연구에서는 피로균열성장이 발생가능한 응력확대계수를 의미하는 threshold 응력확대계수 △K_th를 측정하였다. 또한 침상의 Si 입자를 갖는 합금과 미세한 구상의 공정 Si 입자를 갖는 합금에서 변형장내의 내부응력의 변화와 반응고 가압주조재의 피로균열 발생 거동을 관찰하기 위해 항복강도 이상의 음력에서 일정 변형률제어 low cycle 피로시험을 실시하였다. 고 싸이클 피로시험은 회전 굽힘 피로시험을 실시하였으며, 금형주조재와 반응고 가압주조재의 피로강도를 측정하여 구상의 응고조직이 피로특성과 피로균열 전파에 미치는 영향을 조사하였다. 다음은 본 실험에서 얻어진 결과들을 요약한 것이다. Semi-solid casting에서 공정 Si 입자와 결정의 크기, 구상화 비는 응고속도와 전자기력의 증가에 따라서 감소되었다. thixocasting에서는 재가열 온도가 증가함에 따라서 초정 α와 결정의 크기가 증가되었지만, 공정 Si 입자의 크기와 구상화 비는 감소되었다. thixocast의 파괴인성은 공정 Si 입자의 미세화 및 구상화 됨으로 인해 재가열 온도가 증가함에 따라 증가하였다. 조대한 침상의 Si 입자들은 낮은 △K에서 피로균열 성장을 억제하였다. 이는 균열 전파 시 균열 닫힘 현상이 발생하여 균열 첨단에 전달되는 유효응력확대계수가 낮아졌기 때문이고 또한 피로균열 첨단부의 소성영역에서 침상의 Si 입자를 가진 합금에서 더 큰 가공경화 현상이 발생되어 균열 전파 속도가 낮아졌다. 그러나 높은 ΔK에서는 침상의 피로균열 성장 속도를 가속화 시켰고 결국 낮은 파괴응력확대계수(△K_fc)를 나타내었다. thixocasting법으로 제조된 Al-Si-Mg 합금은 미세한 공정 Si 입자들로 강화되어 피로균열 성장 시험시 균열이 안전하게 성장하는 것이 나타났다. 재가열 온도 조건에서는 580℃에서 제조된 thixocast가 미세한 공정 Si 입자들을 갖는 다른 thixocast에 비해 피로균열 성장속도가 △K의 증가에 따라 가속되었으며 파괴응력확대계수가 낮게 나타났다. rheocast재에서 피로강도와 피로수명에 미치는 미세조직적 인자로는 극치통계 좌표값을 이용하여 확인해 보았을 때 Si 입자의 크기보다는 Si 입자 그룹(cluster)의 영향이 큰 것으로 관찰되었다. rheocast재의 피로수명이 금형 주조재에 비해서 약 10배 정도 큰 것으로 예상할 수 있었으며 저 싸이클 피로시험을 통해 확인해 본 결과 실제 실험에서도 이와 비슷한 것으로 나타났다. rheocast재의 고 싸이클 피로시험에서 피균열은 Si 입자에서부터 시작되어 공정 a boundary를 따라 성장된다는 것이 관찰되었다.
Al-Si-Mg cast alloys are widely used for the casting of high-strength components, because they offer a combination of high achievable strength and good casting characteristics. Among them A356 is one of the most widely applied commercial Al-Si-Mg cast alloys, particularly in the aircraft, automotive...
Al-Si-Mg cast alloys are widely used for the casting of high-strength components, because they offer a combination of high achievable strength and good casting characteristics. Among them A356 is one of the most widely applied commercial Al-Si-Mg cast alloys, particularly in the aircraft, automotive and structural castings industries where fatigue behavior is of concern. However, this alloy has dendritic structure with primary α-Al and eutectic Si particle. Fatigue properties of cast aluminum components strongly depend on casting defects and microstructural characteristics such as dendrite arm spacing, the size of the eutectic Si particles and grains, and gas porosity etc. Therefore it is important to control the above microstructural factors in order to improve the fatigue and fracture properties. Semi-solid process used this study is suitable casting method for above mentioned requirement. The purpose of the present investigation is to develop a more fundamental understanding of the fatigue and fracture properties of aluminum alloy. In the study, semi-solid casting, rheocasting and thixocasting process were used for controlling of microstructure. Tensile and fracture toughness test were performed for investigating of fracture properties and fatigue crack growth, high cycle fatigue and low cycle fatigue test were carried out in order to investigate the fatigue properties. The results obtained in this study are as follows; The size and aspect ratio of eutectic Si particle and grain size were decreased with the increase the casting speed and electromagnetic power. In thixocasting conditions, the size of α-Al and grain increased with the increased of reheating temperature, while the size of eutectic Si particles and aspect ratio decreased. The fracture toughness of thixocasts was increased with the increase of reheating temperature. Coarse and acicular Si particles decelerated fatigue crack growth in the low △K. However, in high △K, fatigue crack growth accelerated, and final failure catastrophically occurred at smaller △K. Al-Si-Mg cast alloys strengthened by small eutectic Si particle, or fabricated by thixocasting process promote fatigue crack to stable propagate prolonging △K. The fatigue crack growth rate of T-500-A(thixocast fabricated at 580˚C) accelerated with increase △K, and reached the final failure at the smaller △K compared with other thixocasts. For prediction of fatigue strength and fatigue lifetime of rheocast, Si particle cluster plays an important role as a crack initiation site. Lifetime for fatigue crack initiation was about ten times longer in comparison with a commercial permanent mold cast with conventional pore size.
Al-Si-Mg cast alloys are widely used for the casting of high-strength components, because they offer a combination of high achievable strength and good casting characteristics. Among them A356 is one of the most widely applied commercial Al-Si-Mg cast alloys, particularly in the aircraft, automotive and structural castings industries where fatigue behavior is of concern. However, this alloy has dendritic structure with primary α-Al and eutectic Si particle. Fatigue properties of cast aluminum components strongly depend on casting defects and microstructural characteristics such as dendrite arm spacing, the size of the eutectic Si particles and grains, and gas porosity etc. Therefore it is important to control the above microstructural factors in order to improve the fatigue and fracture properties. Semi-solid process used this study is suitable casting method for above mentioned requirement. The purpose of the present investigation is to develop a more fundamental understanding of the fatigue and fracture properties of aluminum alloy. In the study, semi-solid casting, rheocasting and thixocasting process were used for controlling of microstructure. Tensile and fracture toughness test were performed for investigating of fracture properties and fatigue crack growth, high cycle fatigue and low cycle fatigue test were carried out in order to investigate the fatigue properties. The results obtained in this study are as follows; The size and aspect ratio of eutectic Si particle and grain size were decreased with the increase the casting speed and electromagnetic power. In thixocasting conditions, the size of α-Al and grain increased with the increased of reheating temperature, while the size of eutectic Si particles and aspect ratio decreased. The fracture toughness of thixocasts was increased with the increase of reheating temperature. Coarse and acicular Si particles decelerated fatigue crack growth in the low △K. However, in high △K, fatigue crack growth accelerated, and final failure catastrophically occurred at smaller △K. Al-Si-Mg cast alloys strengthened by small eutectic Si particle, or fabricated by thixocasting process promote fatigue crack to stable propagate prolonging △K. The fatigue crack growth rate of T-500-A(thixocast fabricated at 580˚C) accelerated with increase △K, and reached the final failure at the smaller △K compared with other thixocasts. For prediction of fatigue strength and fatigue lifetime of rheocast, Si particle cluster plays an important role as a crack initiation site. Lifetime for fatigue crack initiation was about ten times longer in comparison with a commercial permanent mold cast with conventional pore size.
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