최근 배기가스의 배출 규제와 에너지 절약에 대한 요구가 증가함에 따라 자동차 산업은 물론, 다양한 산업군에서 경량화와 연비개선에 대한 관심과 수요가 증가하고 있다. 이러한 수요에 대응하기 위해서는 경량소재들의 활용이 요구된다. 다양한 경량소재 중에서, 알루미늄과 그 합금은 가벼우면서도 내식성, 강도, 성형성, 재활용성 등이 뛰어나기 때문에 그 수요에 부합할 수 있는 매우 적합한 소재이다. 하지만, 알루미늄 합금을 실제 산업에 적용하기 위해서는 이를 위한 접합기술이 반드시 필요하다. 알루미늄 합금은 일반적으로 ...
최근 배기가스의 배출 규제와 에너지 절약에 대한 요구가 증가함에 따라 자동차 산업은 물론, 다양한 산업군에서 경량화와 연비개선에 대한 관심과 수요가 증가하고 있다. 이러한 수요에 대응하기 위해서는 경량소재들의 활용이 요구된다. 다양한 경량소재 중에서, 알루미늄과 그 합금은 가벼우면서도 내식성, 강도, 성형성, 재활용성 등이 뛰어나기 때문에 그 수요에 부합할 수 있는 매우 적합한 소재이다. 하지만, 알루미늄 합금을 실제 산업에 적용하기 위해서는 이를 위한 접합기술이 반드시 필요하다. 알루미늄 합금은 일반적으로 용접공정 중 발생하는 응고균열, 편석, 기공들 때문에 대표적인 난용접 재료로 분류되고 있다. 따라서, 알루미늄 합금에 적용 가능한 새로운 접합공정에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 알루미늄의 접합을 위해 마찰교반접합법을 실시하였다. 마찰교반접합은 대표적인 고상접합법으로, 비소모성 공구를 고속으로 회전시키면서 소재에 삽입하여 공구와 소재와의 상호마찰에 의한 열을 발생시키고, 이에 따라 공구 주변의 재료를 연화시켜 공구의 교반력에 의해 재료를 소성유동시킴으로써 소재를 접합하는 접합법이다. 마찰교반접합을 통해 접합부는 비교적 균일한 미세조직을 얻을 수 있고, 고상상태에서 접합이 이루어지기 때문에 열에 의한 변형이 적으며, 기타 용융결함을 최소화 할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 이 때, 접합부에서는 마찰열과 소성변형에 의한 동적재결정이 발생하여 입자 미세화가 일어나게 된다. 이 때문에, 마찰교반접합법의 응용기술인 마찰교반공정은 강소성 가공법으로 분류될 수 있다. 마찰교반공정은 공구에 의해 반복적으로 소재에 마찰열과 전단변형을 발생시켜 매우 강력한 소성변형을 일으키는 매우 간단하면서도 효과적인 방법이다. 하지만, 마찰교반공정 중 발생하는 미세조직의 변화에 대해서는 아직 완벽하게 이해되지 못하고 있다. 다양한 산업 분야에 적용 가능한 기반기술로 활용되기 위해서는 마찰교반기술에 의한 미세조직과 기계적 특성의 변화를 이해하는 것이 매우 중요하다. 또한, 알루미늄 합금에 대한 구조재료로써의 수요가 증가하고 있기 때문에 마찰교반기술을 이용한 소재의 강도향상 기술 개발이 필요하다. 이러한 관점에서 본 연구에서는 아래와 같이 연구를 2가지 part로 나누어 진행하였다. Part 1. 마찰교반접합된 박판의 알루미늄 5052-H32 합금의 미세조직과 기계적 특성의 변화 Part 2. 알루미늄 1050-O 합금의 미세조직과 기계적 특성에 미치는 마찰교반공정의 영향 Part 1에서는 박판의 알루미늄 5052-H32 합금에 대한 마찰교반접합에 초첨을 맞추었으며, 그에 따른 미세조직과 기계적 특성의 변화에 대해 관찰하였다. 마찰교반접합은 특별한 결함 없이 성공적으로 수행되었으며, 미세조직 분석을 통해 교반부가 마찰교반접합 공정 중 발생하는 동적 재결정에 의해 현저하게 미세해진 등축정의 조직들로 구성되어있음을 확인하였다. 또한, 집합조직 분석을 통해 교반부가 전단변형에 의한 {112}<110> 방위를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. TEM 관찰을 통해 교반부에서 모재에 비해 현저히 낮은 전위밀도를 나타내는 것을 확인하였다. 이는 가공경화형 합금인 알루미늄 5052-H32 합금의 인장강도와 경도 값의 감소를 불러올 수 있다. 반면, 샤르피 충격시험 결과, 마찰교반접합 도중 발생한 동적 재결정에 의해 미세해진 입자 크기에 의한 입계의 증가로 인하여 외력으로 인한 균열의 전파를 방해하여 결과적으로 충격흡수에너지가 높아진다는 것을 확인하였다. Part 2에서는 마찰교반공정에 의한 알루미늄 1050-O 합금의 미세조직 개질과, 마찰교반공정을 이용한 금속기 복합소재 제조의 실행 가능성에 초점을 맞추었다. 마찰교반공정에 의한 교반부는 재결정된 미세한 입자로 구성되어 있었으며, 이러한 입자 미세화는 Hall-Petch 관계에 따라 알루미늄 1050-O 합금의 강도 향상에 기여하는 것을 확인하였다. EBSD 분석을 통해, 교반부에 공구의 회전에 영향을 받은 전단변형 집합조직이 형성하는 것을 확인하였다. 이러한 집합조직은 반복적으로 수행된 마찰교반공정에 의해 변화하지 않았다. 한편, 마찰교반공정을 이용하여 탄소나노튜브를 강화제로 사용한 알루미늄 복합소재를 성공적으로 제조하였다. 마찰교반공정 중에 발생할 수 있는 탄소나노튜브 분말의 비산을 방지하기 위해서 petroleum을 용매로 사용한 5 wt% 의 페이스트 강화제를 사용하였다. 마찰교반공정을 강화제와 함께 2회 반복적으로 실시하였을 때, 모재의 약 1.5배인 108 MPa의 인장강도를 나타내었다. 이를 통해, 마찰교반공정에 페이스트 형태의 강화제를 적용하여 금속기 복합소재를 제조할 수 있음을 확인하였다.
최근 배기가스의 배출 규제와 에너지 절약에 대한 요구가 증가함에 따라 자동차 산업은 물론, 다양한 산업군에서 경량화와 연비개선에 대한 관심과 수요가 증가하고 있다. 이러한 수요에 대응하기 위해서는 경량소재들의 활용이 요구된다. 다양한 경량소재 중에서, 알루미늄과 그 합금은 가벼우면서도 내식성, 강도, 성형성, 재활용성 등이 뛰어나기 때문에 그 수요에 부합할 수 있는 매우 적합한 소재이다. 하지만, 알루미늄 합금을 실제 산업에 적용하기 위해서는 이를 위한 접합기술이 반드시 필요하다. 알루미늄 합금은 일반적으로 용접공정 중 발생하는 응고균열, 편석, 기공들 때문에 대표적인 난용접 재료로 분류되고 있다. 따라서, 알루미늄 합금에 적용 가능한 새로운 접합공정에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 알루미늄의 접합을 위해 마찰교반접합법을 실시하였다. 마찰교반접합은 대표적인 고상접합법으로, 비소모성 공구를 고속으로 회전시키면서 소재에 삽입하여 공구와 소재와의 상호마찰에 의한 열을 발생시키고, 이에 따라 공구 주변의 재료를 연화시켜 공구의 교반력에 의해 재료를 소성유동시킴으로써 소재를 접합하는 접합법이다. 마찰교반접합을 통해 접합부는 비교적 균일한 미세조직을 얻을 수 있고, 고상상태에서 접합이 이루어지기 때문에 열에 의한 변형이 적으며, 기타 용융결함을 최소화 할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 이 때, 접합부에서는 마찰열과 소성변형에 의한 동적재결정이 발생하여 입자 미세화가 일어나게 된다. 이 때문에, 마찰교반접합법의 응용기술인 마찰교반공정은 강소성 가공법으로 분류될 수 있다. 마찰교반공정은 공구에 의해 반복적으로 소재에 마찰열과 전단변형을 발생시켜 매우 강력한 소성변형을 일으키는 매우 간단하면서도 효과적인 방법이다. 하지만, 마찰교반공정 중 발생하는 미세조직의 변화에 대해서는 아직 완벽하게 이해되지 못하고 있다. 다양한 산업 분야에 적용 가능한 기반기술로 활용되기 위해서는 마찰교반기술에 의한 미세조직과 기계적 특성의 변화를 이해하는 것이 매우 중요하다. 또한, 알루미늄 합금에 대한 구조재료로써의 수요가 증가하고 있기 때문에 마찰교반기술을 이용한 소재의 강도향상 기술 개발이 필요하다. 이러한 관점에서 본 연구에서는 아래와 같이 연구를 2가지 part로 나누어 진행하였다. Part 1. 마찰교반접합된 박판의 알루미늄 5052-H32 합금의 미세조직과 기계적 특성의 변화 Part 2. 알루미늄 1050-O 합금의 미세조직과 기계적 특성에 미치는 마찰교반공정의 영향 Part 1에서는 박판의 알루미늄 5052-H32 합금에 대한 마찰교반접합에 초첨을 맞추었으며, 그에 따른 미세조직과 기계적 특성의 변화에 대해 관찰하였다. 마찰교반접합은 특별한 결함 없이 성공적으로 수행되었으며, 미세조직 분석을 통해 교반부가 마찰교반접합 공정 중 발생하는 동적 재결정에 의해 현저하게 미세해진 등축정의 조직들로 구성되어있음을 확인하였다. 또한, 집합조직 분석을 통해 교반부가 전단변형에 의한 {112}<110> 방위를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. TEM 관찰을 통해 교반부에서 모재에 비해 현저히 낮은 전위밀도를 나타내는 것을 확인하였다. 이는 가공경화형 합금인 알루미늄 5052-H32 합금의 인장강도와 경도 값의 감소를 불러올 수 있다. 반면, 샤르피 충격시험 결과, 마찰교반접합 도중 발생한 동적 재결정에 의해 미세해진 입자 크기에 의한 입계의 증가로 인하여 외력으로 인한 균열의 전파를 방해하여 결과적으로 충격흡수에너지가 높아진다는 것을 확인하였다. Part 2에서는 마찰교반공정에 의한 알루미늄 1050-O 합금의 미세조직 개질과, 마찰교반공정을 이용한 금속기 복합소재 제조의 실행 가능성에 초점을 맞추었다. 마찰교반공정에 의한 교반부는 재결정된 미세한 입자로 구성되어 있었으며, 이러한 입자 미세화는 Hall-Petch 관계에 따라 알루미늄 1050-O 합금의 강도 향상에 기여하는 것을 확인하였다. EBSD 분석을 통해, 교반부에 공구의 회전에 영향을 받은 전단변형 집합조직이 형성하는 것을 확인하였다. 이러한 집합조직은 반복적으로 수행된 마찰교반공정에 의해 변화하지 않았다. 한편, 마찰교반공정을 이용하여 탄소나노튜브를 강화제로 사용한 알루미늄 복합소재를 성공적으로 제조하였다. 마찰교반공정 중에 발생할 수 있는 탄소나노튜브 분말의 비산을 방지하기 위해서 petroleum을 용매로 사용한 5 wt% 의 페이스트 강화제를 사용하였다. 마찰교반공정을 강화제와 함께 2회 반복적으로 실시하였을 때, 모재의 약 1.5배인 108 MPa의 인장강도를 나타내었다. 이를 통해, 마찰교반공정에 페이스트 형태의 강화제를 적용하여 금속기 복합소재를 제조할 수 있음을 확인하였다.
Recently, exhaust gas emission regulation and energy saving are causing increased demand for weight-reduction and better fuel-efficiency in many industries as well as automotive industry. Therefore, in order to solve these issues, the use and applications of light-weight materials are desired. On th...
Recently, exhaust gas emission regulation and energy saving are causing increased demand for weight-reduction and better fuel-efficiency in many industries as well as automotive industry. Therefore, in order to solve these issues, the use and applications of light-weight materials are desired. On the basis of features such as light-weight, corrosion resistance, specific strength, reasonable formability, and recycling efficiency, aluminum and its alloys are the appropriate materials among the various light-weight materials. When the Al alloys are applied to industry, welding and joining technology is required. However, the Al alloys are generally classified as difficult materials to weld because of solidification cracks, segregation and porosities in the fusion zone during conventional fusion welding. For these reasons, it is necessary to study the joining technology for aluminum and its alloys. This research examines the joining technology, friction stir welding (FSW). The FSW which is a representative solid-state joining technique uses a non-consumable tool to generate frictional heat to plastically deform and stir the metal to form a consolidated joint. During the FSW, it is possible not only to make uniform microstructures but also to minimize the thermal distortion and welding defects because the FSW is conducted on the solid-state. In this stage, the grain refinement occurs by dynamic recrystallization resulting from frictional heat and plastic deformation. For this reason, the friction stir processing (FSP), one of FSW variants, is classified as severe plastic deformation process. The FSP is simple and effective method in which the shear deformation and frictional heat are repeatedly imposed on materials by specifically designed rotating tool. However, the microstructural evolution during FSP has not been completely understood. The investigation for microstructural evolution and its effect to change of mechanical properties by FSW & FSP is important to develop the FSW & FSP as applicable "Foundation technique". Also, it is necessary to achieve the property improvement of aluminum and its alloys because it is demaned more high strength to aluminum alloys for application of structural parts. In this regard, mainly two studies are performed by dividing subject into 2 parts as below. Part 1. Microstructural evolution and mechanical properties in the friction stir weld of AA5052-H32 thin sheets. Part 2. Effect of friction stir processing on microstructure and mechanical properties of AA1050-O. The part 1 focuses on the FSW of AA5052-H32 thin sheets, and investigation of microstrucural evolution and mechanical properties. The FSW of commercial AA5052-H32 alloy in 1 mm thickness is successfully conducted without defects and porosities. From the investigation of microstructural evolution, it is revealed that the grain refinement and fraction increase of high angle grain boundaries occurred by dynamic recrystallization resulting from frictional heat and plastic deformation in stir zone(SZ). The EBSD results indicate that the Cube and Copper texture of AA5052-H32 was changed to B/-B shear texture in SZ. During FSW, the pin rotates around the normal-direction(ND) with tilt angle, so the shear texture can be formed around the ND in the SZ. Also, shear stress is induced along the rotated pin surface caused by movement of the rotating pin. These complex stresses affect the texture evolution in the SZ. The refined grains contribute to increase the impact absorption energy of welds because the increased number of grain boundaries plays a role in the crack propagation as an obstacle. From the results, it could be known that the FSW is an effective joining method to aluminum alloy thin sheets with good performance. The part 2 focuses on the FSP of AA1050-O to modify its microstructure for improving mechanical properties, and feasibility on FSP for fabricating metal matrix composites. The stir zone consists of equiaxed and significantly well-recrystallized fine grains. This grain refinement is positive effect following the Hall-Petch relationship for improving the strength of AA1050-O. From the EBSD analysis, it is clearly observed that the stir zone has a shear deformation texture which is attributed to the tool rotation during FSP. However, the multiple-pass FSP hardly affects the change of texture. The aluminum matrix composites reinforced with CNTs is successfully fabricated by FSP. The CNT powder is prepared with petroleum in 5 wt% as paste-type for preventing the scattering during FSP. The maximum strength reaches at 108 MPa by FSP2 with CNT reinforcement, which is 1.52 times more than that of aluminum matrix. From the results, it is indicated that the FSP using paste-type reinforcement is a feasible route to fabricate the metal matrix composites. In present study, it reveals that the FSW is appropriate joining method for thin sheet to application of automotive industry. From investigating of microstructural evolution by FSW & FSP, it is pointed out the microtexture is drastically changed by intense shear deformation. Also, it is verified that the FSP is simple and effective technology for the fabrication of metal matrix composites. This novel process can be applied for surface/bulk modification.
Recently, exhaust gas emission regulation and energy saving are causing increased demand for weight-reduction and better fuel-efficiency in many industries as well as automotive industry. Therefore, in order to solve these issues, the use and applications of light-weight materials are desired. On the basis of features such as light-weight, corrosion resistance, specific strength, reasonable formability, and recycling efficiency, aluminum and its alloys are the appropriate materials among the various light-weight materials. When the Al alloys are applied to industry, welding and joining technology is required. However, the Al alloys are generally classified as difficult materials to weld because of solidification cracks, segregation and porosities in the fusion zone during conventional fusion welding. For these reasons, it is necessary to study the joining technology for aluminum and its alloys. This research examines the joining technology, friction stir welding (FSW). The FSW which is a representative solid-state joining technique uses a non-consumable tool to generate frictional heat to plastically deform and stir the metal to form a consolidated joint. During the FSW, it is possible not only to make uniform microstructures but also to minimize the thermal distortion and welding defects because the FSW is conducted on the solid-state. In this stage, the grain refinement occurs by dynamic recrystallization resulting from frictional heat and plastic deformation. For this reason, the friction stir processing (FSP), one of FSW variants, is classified as severe plastic deformation process. The FSP is simple and effective method in which the shear deformation and frictional heat are repeatedly imposed on materials by specifically designed rotating tool. However, the microstructural evolution during FSP has not been completely understood. The investigation for microstructural evolution and its effect to change of mechanical properties by FSW & FSP is important to develop the FSW & FSP as applicable "Foundation technique". Also, it is necessary to achieve the property improvement of aluminum and its alloys because it is demaned more high strength to aluminum alloys for application of structural parts. In this regard, mainly two studies are performed by dividing subject into 2 parts as below. Part 1. Microstructural evolution and mechanical properties in the friction stir weld of AA5052-H32 thin sheets. Part 2. Effect of friction stir processing on microstructure and mechanical properties of AA1050-O. The part 1 focuses on the FSW of AA5052-H32 thin sheets, and investigation of microstrucural evolution and mechanical properties. The FSW of commercial AA5052-H32 alloy in 1 mm thickness is successfully conducted without defects and porosities. From the investigation of microstructural evolution, it is revealed that the grain refinement and fraction increase of high angle grain boundaries occurred by dynamic recrystallization resulting from frictional heat and plastic deformation in stir zone(SZ). The EBSD results indicate that the Cube and Copper texture of AA5052-H32 was changed to B/-B shear texture in SZ. During FSW, the pin rotates around the normal-direction(ND) with tilt angle, so the shear texture can be formed around the ND in the SZ. Also, shear stress is induced along the rotated pin surface caused by movement of the rotating pin. These complex stresses affect the texture evolution in the SZ. The refined grains contribute to increase the impact absorption energy of welds because the increased number of grain boundaries plays a role in the crack propagation as an obstacle. From the results, it could be known that the FSW is an effective joining method to aluminum alloy thin sheets with good performance. The part 2 focuses on the FSP of AA1050-O to modify its microstructure for improving mechanical properties, and feasibility on FSP for fabricating metal matrix composites. The stir zone consists of equiaxed and significantly well-recrystallized fine grains. This grain refinement is positive effect following the Hall-Petch relationship for improving the strength of AA1050-O. From the EBSD analysis, it is clearly observed that the stir zone has a shear deformation texture which is attributed to the tool rotation during FSP. However, the multiple-pass FSP hardly affects the change of texture. The aluminum matrix composites reinforced with CNTs is successfully fabricated by FSP. The CNT powder is prepared with petroleum in 5 wt% as paste-type for preventing the scattering during FSP. The maximum strength reaches at 108 MPa by FSP2 with CNT reinforcement, which is 1.52 times more than that of aluminum matrix. From the results, it is indicated that the FSP using paste-type reinforcement is a feasible route to fabricate the metal matrix composites. In present study, it reveals that the FSW is appropriate joining method for thin sheet to application of automotive industry. From investigating of microstructural evolution by FSW & FSP, it is pointed out the microtexture is drastically changed by intense shear deformation. Also, it is verified that the FSP is simple and effective technology for the fabrication of metal matrix composites. This novel process can be applied for surface/bulk modification.
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