[논문]Al-Cu-Mn 주조합금의 피로성질에 미치는 Cd 첨가의 영향

김경현; 이병훈; 김인배

문제 정의

따라서 본 연구에서는 Ag대체 원소를 개발하여 저가의 주조용 고강도 알루미늄 합금을 개발하기 위한 연구의 일환 으로 Al-Cu-Mn 주조합금의 피로성질에 미치는 Cd첨가 의 영향을 조사함으로써 주조용 고강도 알루미늄 합금 개발을 위한 기초 자료를 제공하고자 하였다.

가설 설정

이때의 균열이 발생하는 시점에서 응력이 감소하기 시작하여 균열의 전파로 인한 완전 파단이 일어나게 되는데 완전 파단이 일어나기 전에 축방향으로 시편을 절단 후 균열의 발생과 전파mode을 관찰하였다. 그림 7은 본 연구합 금에서 관찰된 피로균열의 발생과 전파과정을 보여주는 광학현미경 사진으로서 (a) 사진을 보면 균열이 시편의 표면 에서 시작하였음을 알 수 있으며 (b)사진은 피로균열의 전 파가 입계를 따라 전파되는 것을 보여준다. 이렇게 입계를 따라 피로균열이 전파하는 이유는 앞서 언급한 것처럼 입계 주위에 존재하는 PFZ의 영향이라 생각된다.

제안 방법

본 연구에 사용된 재료의 화학적 조성은 표 1과 같다. A1 -Cu-Mn 주조합금의 피로성질에 미치는 Cd 첨가의 영향을 조사하기 위하여 Cd의 양을 0.05%, 0.1%, 0.15%로 각각 첨가한 시편을 제조하였다. 전기로에서 순수 A1 을 용해한 후 Al-Cu, Al-Mn, Al-Ti, Al-Zr 및 Al-Cd 모합금을 첨가하여 각 조성에 맞는 잉곳을 제조하여, 543℃에서 13 시간 용체화 처리후 170℃에서 인공시효를 수행하였다.
피로시험시 압축과 인장의 반복적인 사이클을 받는 봉상 의 시편부위에서 균열이 발생하여 결국 파단에 이르게 된다. 이때의 균열이 발생하는 시점에서 응력이 감소하기 시작하여 균열의 전파로 인한 완전 파단이 일어나게 되는데 완전 파단이 일어나기 전에 축방향으로 시편을 절단 후 균열의 발생과 전파mode을 관찰하였다. 그림 7은 본 연구합 금에서 관찰된 피로균열의 발생과 전파과정을 보여주는 광학현미경 사진으로서 (a) 사진을 보면 균열이 시편의 표면 에서 시작하였음을 알 수 있으며 (b)사진은 피로균열의 전 파가 입계를 따라 전파되는 것을 보여준다.
인장시험은 cross head speed 5nun/min으로 상온의 공기 중에서 수행하였으며 강도값은 3회 반복시험 후 평균하여 구하였다. 저주기 피로시험과 고주기 피로시험은 길이 30mm, 직경 10mm의 봉상 시험편올 사용하여 10 ton 용량의 Instron 8516 유압식 시험기로 실시하였다.
피로시편 에서 표면 조건의 영향을 최소화하기 위하여 시편의 표면올 응력축에 평행한 방향으로 최종 3㎛까지 연마하였다. 저주기 피로시험 조건은 총 변형진폭을 0.35%~0.6%까지 제어하는 완전역전 응력조건 (R = -l)으로 실시하였으며, 파형은 싸인파형으로 변형률 속도와 시험분위기는 인장시험 과 동일하다. 피로수명은 최대응력의 50%가 감소되는 사이클로 정의하였으며, 고주기 피로시험은 진동수 20Hz로 시험하였으며 , 피로강도는 IO, 사이클에서의 응력진폭으로 정의하였다.
인장시험은 cross head speed 5nun/min으로 상온의 공기 중에서 수행하였으며 강도값은 3회 반복시험 후 평균하여 구하였다. 저주기 피로시험과 고주기 피로시험은 길이 30mm, 직경 10mm의 봉상 시험편올 사용하여 10 ton 용량의 Instron 8516 유압식 시험기로 실시하였다. 피로시편 에서 표면 조건의 영향을 최소화하기 위하여 시편의 표면올 응력축에 평행한 방향으로 최종 3㎛까지 연마하였다.
15%로 각각 첨가한 시편을 제조하였다. 전기로에서 순수 A1 을 용해한 후 Al-Cu, Al-Mn, Al-Ti, Al-Zr 및 Al-Cd 모합금을 첨가하여 각 조성에 맞는 잉곳을 제조하여, 543℃에서 13 시간 용체화 처리후 170℃에서 인공시효를 수행하였다.
6%까지 제어하는 완전역전 응력조건 (R = -l)으로 실시하였으며, 파형은 싸인파형으로 변형률 속도와 시험분위기는 인장시험 과 동일하다. 피로수명은 최대응력의 50%가 감소되는 사이클로 정의하였으며, 고주기 피로시험은 진동수 20Hz로 시험하였으며 , 피로강도는 IO, 사이클에서의 응력진폭으로 정의하였다. 피로시험시 발생한 균열의 전파경로를 관찰하기 위하여 시편의 완전파단이 일어나기 전에 하중을 제거하여 축방향으로 재료를 절단한 후 Keller 시약으로 부식시켜 관찰하였다.
피로수명은 최대응력의 50%가 감소되는 사이클로 정의하였으며, 고주기 피로시험은 진동수 20Hz로 시험하였으며 , 피로강도는 IO, 사이클에서의 응력진폭으로 정의하였다. 피로시험시 발생한 균열의 전파경로를 관찰하기 위하여 시편의 완전파단이 일어나기 전에 하중을 제거하여 축방향으로 재료를 절단한 후 Keller 시약으로 부식시켜 관찰하였다.

성능/효과

2) 고주기 피로시험 결과 피로강도는 115MPa이었으며 피로비는 0.31 이었다.
3) 피로균열은 표면에서 발생하여 입계를 따라 전파하였 는데 균열의 전파는 입계를 따라 형성된 무석출대의 존재에 기인 하단고 판단된다.
5) 인장시험 결과 Cd을 첨가하지 않은 경우 인장강도값이 330MPa이었으나 Cd의 첨가에 의해 인장강도값이 401MPa까지 증가하였다.
2% 이상인 경우에는 Cd의 편석에 의해 기계적 특성이 감소하는 것으로 알려져 있다.7(3) 본 연구 합금과 동일한 석출물인 CuAL가 시효 석출됨으로써 강화되는 단조용 2024 -T3합금의 인장강도값 469MPa과 비교하였을 때 상대적으로 낮은 값을 나타내었으나 주조용 A201 합금의 인장강도값 420MPa과는 큰 차이가 나지 않 는다.
그림3에서 보면 Cd 첨가량에 관계없이 총변형 진폭이 작을수록 피로수명이 중가되는 일반적인 경향을 나타낸다는 것을 알 수 있다. Cd첨가의 영향은 Cd첨가량이 중가함에 따라 같은 변형진폭에서 피로수명이 크게 증가됨으로서, Cd이 첨가되지 않았을 경우보다 Cd의 양이 0.15%첨가되었을 경우 피로 수명은 1300사이클 정도 중가되었다. 이러한 이유는 Cd의 첨가에 의하여 시효초기에 미세하게 균일분포한 Cd-clus- ter가 ff 상의 불균일 핵생성 위치로 작용하여 & 상의 석출을 촉진시킴으로써 강도를 중가시켜 피로균열의 생성이 억제되었기 때문이라고 생각된다.
일반적으로 피로파괴는 시편 내부에 큰 응력 집중요소가 있을 경우에는 시편의 내부에서 피로파괴가 시작되기도 하지만 시편 내부에 큰 응력 집중요소가 없이 즉 조직이 시편의 전단면에 걸쳐 균일하게 분포되었다면 시료의 표면에서 피로균열이 발생하는 것이 일반적이다. 따라서 본 연구 합금의 경우 피로 파괴가 표면에서 시작된 것으로 보아서 시효 석출강화상이 시편의 전단면에 걸쳐 균일하게 분산분포 되었다는 것을 간접적으로 확인할 수 있었다.
1) 저주기 피로시험 결과 Cd을 첨가하지 않은 경우보다 Cd을 첨가하였을 경우 Cd에 의한 석출상의 석출이 촉진되고 석출 밀도가 증가하여 피로수명이 lb~ I。사이클 정도 증가하였으며 과시효 처 리보다 최대 경도 시효처 리하였을 경우 피로수명이 750사이클정도 증가되었다.
31 로서 비교재와 비슷한 값을 나타내었다. 일반적으로 강이나 Ti합금 둥에서는 피로비가 0.5정도의 값을 가지는 반면에 A1 합금은 0.3내외의 값을 가지는 것으로 알려져 있는데, 본 연구합금의 경우에도 일반적인 A1 합금의 피로비 범주에 속한다는 것을 확인하였으며, A1 합금이 강이나 Ti합금에 비해 피로비가 적은 것은 이들 합 금이 상대적으로 적충결함에너지가 크기 때문에 교차슬립이 잘 일어나고 그 결과 표면에 고집슬립대가 잘 형성되어 피로균열의 발생이 상대적으로 용이하기 때문이다.(2)

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