[논문]티타늄 합금(Ti-6Al-4V)의 조직변화에 따른 기계적 특성 평가

권재도; 배용탁; 최성종

doi:10.3795/ksme-a.2002.26.4.609

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The characteristics of mechanical behavior are investigated for Ti-6Al-4V alloy. Four kinds of the specimens are prepared under different heat treatments in order to produce different microstructures. In the present investigations, impact, tensile and fatigue crack growth tests are performed for eac...

The characteristics of mechanical behavior are investigated for Ti-6Al-4V alloy. Four kinds of the specimens are prepared under different heat treatments in order to produce different microstructures. In the present investigations, impact, tensile and fatigue crack growth tests are performed for each test specimen. The results obtained through the investigations are compared. Additionally fr actal dimensions of crack pass are obtained using the box counting method. The results are, 1) the microstructures shows as equiaxed, bimodal and Widmanstatten microstructures respectively, 2) the impact energy and elongation are superior fur the bimodal microstructure, and the hardness and tensile strength are superior fur the Widmanstatten microstructure, 3) the fatigue crack growth rate is similar to all microstructures in low ΔK region while that of equiaxed microstructure is the largest, and that of Widmanstatten microstructure is the lowest in high ΔK region respectively, 4) the fractal dimension D of Widmanstatten microstructure shows higher value than that of the equiaxed and bimodal microstructures under 200 magnification view of the SEM micrographs.

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 현재 항공용 재료로서 가장 널리 사용되고 있는 Ti-6A1-4V 합금의 조직변화에 따른 기계적 특성평가 및 기초자료 확보를 위하여, 열처리로 조직을 변화시킨 Ti-6A1-4V 합금의 기계적 특성 및 피로균열진전 특성을 평가해보고자 하였다.
본 연구에서도 피로균열경로에 대하여 기복의 정도를 정량적으로 구할 목적으로 프랙털 차원을 구하였다.

가설 설정

(b) 105(TC로 열처리된 시험편의 균열진전속도가 사진의 중앙부에서 각각 35 nm/cycle정도 되는지점의 파면의 측면을 200배의 SEM으로 촬영한 것이다. 또한 촬영한 사진의 표면균열을 따라 모 사하여, (c)와 같이 모사한 균열 위에 정방형의 격 자를 씌워서 균열이 지나는 정방형의 개수를 구하였다.

제안 방법

이러한 Ti-6A1-4V 합금의 미세조직 변화에 따르는 기계적 특성을 평가하기 위하여 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 두 단계로 나누어 전기旦에서 열처리를 하였다.
시험편은 고온산화의 영향을 고려하여 우선 블 록(block)으로 제작한 다음, 앞에서 언급한 방법으로 열처리한 후 와이어 가공으로 제작하였다.
Ti-6A1-4V 합금의 조직별 경도특성을 비교하기 위하여 로크웰 경도시험기 C 스케일로 12점을 수행하였다. 그 중 최대 및 최소값 2점씩을 버린 10 점을 선정하여 Fig.
충격 시험편은 KS B 0809에 의거하여 가공하였다. 또한 노치의 형상을 일정하게 가공하기 위하여 와이어 컷(wire cut)을 사용하였으며. 시험 온도는 상온에서 수행하였다.
Ti-6A1-4V 합금의 조직별 인장특성 관찰은 ASTM E 8M-95a(KS B 0801 정형시험편 13호)의 규격에 준거하여 폭 20 mm, 평행부 거리 60 mm, 모서리 반경 20 mm, 두께 4 mm인 시험편을 제작하여 인장시험을 수행하였다.
2 mm로 일정하게 가공하였다. 또한 피로균열길이의 정확한 측정을 위하여 시험편의 표면을 조직관찰에서와 같은 방법으로 연마하여 시험에 사용하였다.
본 시험에 사용된 시험기는 Instron사의 유압 서보피 로시험 기 (hydraulic-servo fatigue test machine; model8516)로서 최대 용량은 10톤(ton)이다. 시험 조건은 모든 피로 시험편에 대하여 응력비 R=0.1, 주파수10 Hz, 인장-인장 하중형태로 일정하게 수행하였다 균열 길이의 측정은 1/100 mm까지 측정이 가능한 이동식 광학현미경을 이용하여 관찰하였으며, 피로 균열진전시험 결과는 Fig. 6에 피로균열진전속도 (da/dN)와 응력확대계수범위(zlK)의 관계로 나타내었다. 저 영역에서는 모든 시험편의 균열진전속도가 유사하게 나타났으며, 고 ZIK 영역에서는 압연 판의 균열진전속도가 가장 빠르게 나타났으며 그 다음으로 920℃, 980℃ 열처리된 재료 순이고, 1050。<2의 경우에는 균열진전속도의 변화폭이 크며 밴드(band)를 형성하고 있는 것을 알 수 있었다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 재료는 Ti-6A1-4V 합금 압연 판이며, 화학조성은 Table 1 과 같다.
시험에 이용된 시험기는 Instron사의 샬피 충격시험 기 (Instrumented Charpy impact test machine)로서, 시험기의 용량은 300 J이다. 충격 시험편은 KS B 0809에 의거하여 가공하였다.
용량은 300 J이다. 충격 시험편은 KS B 0809에 의거하여 가공하였다. 또한 노치의 형상을 일정하게 가공하기 위하여 와이어 컷(wire cut)을 사용하였으며.
인장시험에 사용된 시험기는 Shimadzu사의 Auto graph AG-25T이고, 1 mm/min의 속도로 50 mm 변위측정기(extensometer)를 부착하여 시험을 수행한 후, 그 시험 결과를 Table 3에 나타내었다. 열처리 조건이 105(TC인 경우에서 인장강도와 항복 강도가 가장 크고, 920℃에서 연신율이 가장 높게 나타났다.
피로균열진전 시험에 사용된 시험편은 CCT 시험 편(Center Cracked Tension specimens)으로서, 중앙노치는 피로발생 특성에 미치는 영향과 가공경화를 최소화하기 위하여 센터 드릴로 중앙에 홀(hole)을 뚫은 후, 와이어 가공으로 인공노치 길이, 2a = 6.6 mm, 곡률반경, p = 0.2 mm로 일정하게 가공하였다. 또한 피로균열길이의 정확한 측정을 위하여 시험편의 표면을 조직관찰에서와 같은 방법으로 연마하여 시험에 사용하였다.
본 시험에 사용된 시험기는 Instron사의 유압 서보피 로시험 기 (hydraulic-servo fatigue test machine; model8516)로서 최대 용량은 10톤(ton)이다. 시험 조건은 모든 피로 시험편에 대하여 응력비 R=0.

이론/모형

또한 균열진전양상의 정량적인 평가를 위하여 광학 현미경으로 피로균열시험 후의 측면을 촬영하고, 박스 법(box counting method)으로 프랙털 차원(fractal dimension)을 구하였다.

성능/효과

저 배율로 관찰한 (a)와 같이 전반적으로는 다른 열처리재에 비하여 거친 파면을 형성하고 있었으며, A, B부분처럼 취성파면의 양상을 보이는 곳이 혼재하고 있었다. 그러나 고 배율로 관찰한 (b), ©의 C와 같이 국부적으로는 딤플이 관찰되었으며, 취성 입계파면처럼 보이는 곳도 a상과 &상의 방향성을 알 수 있는 흔적이 남아 있었다. 또한 압연판, 920。。및 98CTC로 열처리된 충격시험편은 파면의 전반에 걸쳐 딤플을 관찰할 수 있었다.
. 920℃ 및 980℃ 에서 열처리된 재료에 비해 상당히 파면이 거칠다는 것을 알 수 있었다. (e)와 (f)는 서로 다른 방향성을 가진 Widmanstatten 조직의 방향성을 알 수 있었고, 또한 Fig.
(1) 열처리에 따른 미세조직은 압연판이 등축조직, 920, 980℃는 혼합조직, 1050℃는 Widmanstatten조직을 나타내었다.
(2) 충격흡수에너지와 연신율은 혼합조직이, 경도, 인장강도 및 항복강도는 Widmanstatten 조직이 우수하였다.
(3) 피로균열진전시험의 결과 저 4K 영역에서는등축조직, 혼합조직, Widmanstatten 조직에 관계없이 유사하였으며, 고 Z1K 영역에서는 등 축조직의 균열진전속도가 가장 빠르고 그 다음으로 혼합조직, Widmanstatten 조직 순으로 나타났다.
920℃ 및 980。(2로 열처리된 재료의 조직에서 연성 스트라이에이션을 관찰할 수 있었으며, 분포양상의 차이는 a상과8상이 혼합한 충상조직 의 양과 분포의 차이에 의한 것으로 사료된다.
(5) 피로균열진전시험 후 피로균열경로에 대한 기복의 정도를 정량적으로 구할 목적으로 200배의 SEM으로 관찰한 사진의 프랙털 해석 결과 프랙털 차원 D값은 기복이 가장 심한 Widmanstatten 조직에서 약 1.101 으로 가장 크게 나타났다.

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