[논문]AL 2024-T3의 단시간 고온 강도 특성

이열화; 김재영; 김헌주; 박경민; 김종환

문제 정의

특히 고온 데이터의 경우 MIL 핸드북이 제공하는 최소 가열 시간이 30분이기 때문에 온도 유지 시간이 그보다 짧으면 상당히 보수적인 설계가 불가피하다. 따라서 본 시험을 통하여 단시간의 고온 강도 특성을 규명하여 MIL 핸드북과의 차이를 고찰하여 향후 설계에 적용하고자 한다.
본 연구는 기체 구조물에 적용되는 알루미늄 2024- T3의 단시간 고온 특성을 고찰하기 위하여 두 가지 고온 환경 조건에서 인장 시험을 수행하였다. 온도에 따른 응력-변형률 선도의 변화를 고찰하였고 인장 강성 및 강도를 계측하여 MIL 핸드북의 데이터와 비교하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 알코아사의 알루미늄 2024-T3의 고온 특성을 고찰하고자 한다. 유도무기에 적용되는 알루미늄의 강도는 MH 핸드북의 데이터를 주로 사용하고 있다.
시험은 ASTM(American Society for Testing Materials) 규격에 따라 두 가지 시험 조건에 대하여 수행하였다 시험 조건 Ie 시편의 온도를 10분 동안 시험 온도로 상승시킨 후 30분 동안 시험 온도로 유지하여 강성과 강도를 측정하는 것이다. 시험 조건 Ie MIL HDBK과의 비교 데이터를 만들기 위하여 수행하였다. 시험 조건 II에서는 열 하중에 노출되는 시간에 따른 영향을 보기 위하여 10분 동안 시험 온도로 상승시킨 후 5분 동안 시험 온도를 유지하여 인장 시험을 수행하였다.

제안 방법

Table 3에는 유지 시간이 30분인 시험 조건 I에 대하여 인장 강성 항복 강도 및 극한 강도 결과를 나 타내었다 Fig. 4를 보면 선형 구간(linear region)이 뚜렷이 나타나므로 인장 강성을 쉽게 구할 수 있으며 본 시험에서는 선형 구간인 변형률이 0.002(2000 傾) 일 때의 평균 기울기를 인장 강성으로 하였다 항복 강도는 알루미늄과 같이 명확한 항복점이 나타나지 않는 경우에 일반적으로 사용되는 0.2 % 오프셋 항복강도를 적용하였다. 극한 강도는 시편이 견디는 최대 공칭 응력(nominal stress)이다 시험 후 시편의 파단 상태를 관찰하여 파단 위치가 게이지 길이 안에 있지 않은 시편은 기록하지 않았다.
시험 조건 II에서는 열 하중에 노출되는 시간에 따른 영향을 보기 위하여 10분 동안 시험 온도로 상승시킨 후 5분 동안 시험 온도를 유지하여 인장 시험을 수행하였다. 시편의 가열은 MTS 사의 고온 가열로를 사용하였으며 시험 온도는 상온과 100℃, 200℃, 300℃로 하였다
시험 조건 II에서는 시험 조건 I과 같은 조건이나 온도 유지 시간을 5분으로 단축한 후 시험을 수행하였다. 시편의 개수는 상온과 100℃, 200℃의 경우에는 3회 이상의 시험을 수행하였으며, 300℃ 의 경우에는 보다 정확한 데이터를 얻기 위하여 4회 이상을 시험하였다. 시험조건 I에 대한 시험 결과, 시험 온도가 100℃ 인 경우 상온의 것과 유사한 결과를 가지는 것으로 관찰되어 시험 조건 II에서는 200℃, 300℃에 대한 시험만을 수행하였다.
2에 시편이 장착된 고온 가열로의 모습을 나타내었다. 시편의 길이 방향으로 세 개의 온도 영역을 설정한 다음 온도 제어기로 시편의 온도를 제어하였다. 시험 데이터는 인장 시험기 로드 셀의 하중 신호와 시편의 중앙부에 부착한 변위 계(extensometor)의 변위 신호를 획득하였다.
시험 조건 I에서는 시편의 온도를 10분 동안 시험 온도로 상승시킨 후 30분 동안 유지시킨 다음 헤드 속도를 1 mm/min로 하여 인장 시험을 수행하였다. 시험 조건 II에서는 시험 조건 I과 같은 조건이나 온도 유지 시간을 5분으로 단축한 후 시험을 수행하였다. 시편의 개수는 상온과 100℃, 200℃의 경우에는 3회 이상의 시험을 수행하였으며, 300℃ 의 경우에는 보다 정확한 데이터를 얻기 위하여 4회 이상을 시험하였다.
시험 조건 Ie MIL HDBK과의 비교 데이터를 만들기 위하여 수행하였다. 시험 조건 II에서는 열 하중에 노출되는 시간에 따른 영향을 보기 위하여 10분 동안 시험 온도로 상승시킨 후 5분 동안 시험 온도를 유지하여 인장 시험을 수행하였다. 시편의 가열은 MTS 사의 고온 가열로를 사용하였으며 시험 온도는 상온과 100℃, 200℃, 300℃로 하였다
시험 조건 I에서는 시편의 온도를 10분 동안 시험 온도로 상승시킨 후 30분 동안 유지시킨 다음 헤드 속도를 1 mm/min로 하여 인장 시험을 수행하였다. 시험 조건 II에서는 시험 조건 I과 같은 조건이나 온도 유지 시간을 5분으로 단축한 후 시험을 수행하였다.
시험은 ASTM(American Society for Testing Materials) 규격에 따라 두 가지 시험 조건에 대하여 수행하였다 시험 조건 Ie 시편의 온도를 10분 동안 시험 온도로 상승시킨 후 30분 동안 시험 온도로 유지하여 강성과 강도를 측정하는 것이다. 시험 조건 Ie MIL HDBK과의 비교 데이터를 만들기 위하여 수행하였다.
시편의 개수는 상온과 100℃, 200℃의 경우에는 3회 이상의 시험을 수행하였으며, 300℃ 의 경우에는 보다 정확한 데이터를 얻기 위하여 4회 이상을 시험하였다. 시험조건 I에 대한 시험 결과, 시험 온도가 100℃ 인 경우 상온의 것과 유사한 결과를 가지는 것으로 관찰되어 시험 조건 II에서는 200℃, 300℃에 대한 시험만을 수행하였다.
본 연구는 기체 구조물에 적용되는 알루미늄 2024- T3의 단시간 고온 특성을 고찰하기 위하여 두 가지 고온 환경 조건에서 인장 시험을 수행하였다. 온도에 따른 응력-변형률 선도의 변화를 고찰하였고 인장 강성 및 강도를 계측하여 MIL 핸드북의 데이터와 비교하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
온도에 따른 응력-변형률 선도의 변화를 고찰하였고, 인장 강성(tensile stiffness, E), 항복강도(yield strength, (7丫), 극한 강도(ultimate strength, Fm)를 MIL HDBK의 데이터와 비교하여 제시하였다.
짧은 시간 동안 열 하중에 노출되는 문제를 고찰하기 위하여 시험 조건 Ⅱ에 대한 시험을 수행하였다. 그러나 시험 결과를 보면 시험 조건 I과 시험 조건 n의 결과가 큰 차이가 없었다 이러한 결과로부터 본 시험에서는 짧은 시간 동안 열 하중을 받는 열충격 문제를 제대로 고찰할 수 없었으며 이 문제는 본 시험과는 다른 방법으로 고찰되어야 한다.

대상 데이터

시편의 길이 방향으로 세 개의 온도 영역을 설정한 다음 온도 제어기로 시편의 온도를 제어하였다. 시험 데이터는 인장 시험기 로드 셀의 하중 신호와 시편의 중앙부에 부착한 변위 계(extensometor)의 변위 신호를 획득하였다.(Fig.
시험은 MTS사 고온 가열로(온도 범위 : 1000 ℃)와 인장 시험기를 사용하였다. Fig.
1과 같은 형태로 제작하였다. 알코아사의 알루미늄 2024-T3로 제작하였다. 시편의 두께는 많이 사용되는 두께인 0.
125 인치로 하였다. 제작된 시편은 치수 및 가공 상태를 검사하여 합격인 시편만을 시험에 사용하였다

이론/모형

시편의 형상은 ASTM E-8M(2)을 참고로 하여 Fig. 1과 같은 형태로 제작하였다. 알코아사의 알루미늄 2024-T3로 제작하였다.

성능/효과

(1) 온도에 따른 응력-변형률 선도의 변화를 보면 온도가 올라감에 따라 변형 경화 현상이 일어나는 구간이 짧아지며 특히, 시험 온도가 300℃ 이상인 경우 항복 강도와 극한 강도가 비슷하였으며 항복 이후에 변형 약화 현상이 나타났다. 따라서 구조물의 온도가 300℃ 이상으로 올라가게 되면 항복 이후 급속히 구조물의 파괴가 일어날 것으로 예측된다
(2) 온도 유지 시간이 5분인 경우와 30분인 경우의 응력-변형률 선도 및 인장 강성, 강도는 차이가 없었다.
(3) 시험 온도에 따른 알루미늄 2024-T3의 인장 강성과 강도를 MIL HDBK의 데이터와 비교해보면 인장 강성은 서로 비슷하였으나 강도는 본 연구의 결과가 MIL HDBK보다 20%~30% 크다.
유지 시간을 30분으로 한 경우와 5분으로 한 경우의 응력-변형률 선도의 경향을 비교하면 200℃ 와 300 ℃ 모두 유지 시간에 대한 차이를 나타내지 않았다. MIL HDBK의 데이터를 보면 시편이 고온 환경에 노출된 시간(30분 이상의 시간)에 따라 강도의 변화가 상당히 크게 나타나나 본 시험의 결과로부터 30분 이 하의 시간에 대하여서는 비슷한 경향을 나타낸다고 할 수 있다.
(Fig. 5 b)) 시험온도가 200笆의 경우에는 45° 기울기로 파단된 경우와 단면적이 급격히 줄어드는 넥킹 현상을 수반하는 인장 모드의 파단 양상이 동시에 관찰되었다(Fig. 5 c)) 시험온도가 300℃ 의 경우에는 인장 모드의 파단 양상만이 관찰되었다.
본 시험의 결과를 강도 해석에 적용한 결과 MIL HDBK의 데이터로는 구조적인 안전여유가 없었던 구 조 물이 본 시험의 데이터를 사용하면 구조적인 안전 여유가 충분히 확보됨을 확인하였다.
본 시험의 경우 실제 구조물에 적용되는 두께를 가지고 같은 열처리를 한 알루미늄으로 시험을 수행한 것으로 범용으로 적용되는 MIL HDBK의 데이터와 비교할 때 실제 구조물의 강도를 더 정확히 나타낸다고 할 수 있다. 상온에서는 그 차이가 작으나 온도가 올라감에 따라 큰 차이가 나타났다 따라서 고온 환경에서 알루미늄 2024-T3의 강도를 MIL HDBK의 결과를 사용하여 구조물을 설계할 경우 강도를 지나치게 낮게 평가하여 무거운 구조물을 만들 수 있다.
표에서 백분율로 나타낸 값은 상온의 값을 100으로 하고 각 온도에서의 항복 강도를 비교한 값이다. 시험조건 I과 시험조건 Ⅱ에 대한 결과가 서로 차이가 없음을 알 수 있으며 두 시험 조건에 대한 결과와 MIL HDBK과는 차이가 나타났다 상온에서의 항복강도는 본 시험이 MIL HDBK보다 약 20%정도 큰 것으로 측정되었으나 온도가 올라감에 따라 그 차이는 더욱 커져 100C일 때 약 28%, 200℃ 일 때 약 31%, 300℃ 일 때 90% 정도 큰 항복강도를 가지는 것으로 측정되었다. 참고로 평균값이 아닌 최소값을 적용하여 비교해보면 본 연구의 결과가 상온에서 19%, 100℃ 에서 27%, 200℃ 에서 29%, 300℃ 에서 61% 정도 큰 값을 가진다.
시험조건 I과 시험조건 Ⅱ에 대한 결과가 서로 차이가 없음을 알 수 있으며 두 시험 조건에 대한 결과와 MIL HDBK과는 차이가 나타났다 상온에서의 항복강도는 본 시험이 MIL HDBK보다 약 20%정도 큰 것으로 측정되었으나 온도가 올라감에 따라 그 차이는 더욱 커져 100C일 때 약 28%, 200℃ 일 때 약 31%, 300℃ 일 때 90% 정도 큰 항복강도를 가지는 것으로 측정되었다. 참고로 평균값이 아닌 최소값을 적용하여 비교해보면 본 연구의 결과가 상온에서 19%, 100℃ 에서 27%, 200℃ 에서 29%, 300℃ 에서 61% 정도 큰 값을 가진다.
항복강도와 마찬가지로 두 시험 조건 사이의 결과는 차이가 없었으나 본 연구의 결과와 MIL HDBK의 결과는 차이가 있었다. 평균값을 기준으로 할 때 본 연구의 결과가 상온에서 15%, 100℃ 에서 21%, 200℃ 에서 20%, 30 0℃ 에서 82% 큰 값을 가지며 최소값을 기준으로 하면 상온에서 13%, 100℃ 에서 20%, 200℃ 에서 19%, 300℃ 에서 51% 큰 값을 가지는 것으로 계측되었다. 항복강도 및 인장강도가 MIL HDBK의 데이터와 비교하여 크게 나타난 이유로 생각할 수 있는 것은 첫 번째로 MIL HDBK의 데이터가 제작사, 제작 로트 두께, 시편 형태를 달리하는 시편에 대한 시험 결과로 A-Basis 값이기 때문에 보수적인(conservative) 데 이 터라 할 수 있다.

후속연구

짧은 시간 동안 열 하중에 노출되는 문제를 고찰하기 위하여 시험 조건 Ⅱ에 대한 시험을 수행하였다. 그러나 시험 결과를 보면 시험 조건 I과 시험 조건 n의 결과가 큰 차이가 없었다 이러한 결과로부터 본 시험에서는 짧은 시간 동안 열 하중을 받는 열충격 문제를 제대로 고찰할 수 없었으며 이 문제는 본 시험과는 다른 방법으로 고찰되어야 한다.⑸

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

AL 2024-T3의 단시간 고온 강도 특성
Strength Characteristics of An Aluminum 2024-T3 in Short-time High Temperature Environment 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

AL 2024-T3의 단시간 고온 강도 특성 Strength Characteristics of An Aluminum 2024-T3 in Short-time High Temperature Environment 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

이열화 (7) 김재영 (4) 김헌주 (2) 김종환 (9)

관련 콘텐츠

원문 보기

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

AL 2024-T3의 단시간 고온 강도 특성
Strength Characteristics of An Aluminum 2024-T3 in Short-time High Temperature Environment 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper