[논문]급속가열환경에서 A12024-T3의 인장특성

김종환; 김제훈

doi:10.5139/jksas.2004.32.8.101

문제 정의

따라서 본 연구에서는 현재 초음속 비행체 구조용 재료로 많이 활용되고 있는 알루미늄합금인 A12024-T3에 대하여 실제 운용환경과 유사하게 모사할 수 있는 복사가열 방법의 가열기를 제작하였으며, 가열률에 따른 재료거동을 파악함으로써 일정온도환경에서 제시되는 재료의 물성치와 비교할 수 있는 항복온도를 도출하였다. 또한 구조용 재료의 급속 가열 환경에서의 거동이 크립거동과 유사한 점을 착안하여 장시간 응력 파단의 예측방법인 시간-온도 계수를 활용하여 온도와 가열률의 상관관계를 도출하고, 급속가열에 의한 가열률 및 항복온도와 응력과의 상관관계 곡선을 구하였다.
또한 구조용 재료의 급속 가열 환경에서의 거동이 크립거동과 유사한 점을 착안하여 장시간 응력 파단의 예측방법인 시간-온도 계수를 활용하여 온도와 가열률의 상관관계를 도출하고, 급속가열에 의한 가열률 및 항복온도와 응력과의 상관관계 곡선을 구하였다. 본 연구를 통하여 초음속 비행체 구조 재료로 활용되고 있는 AI2024-T3에 대한 운용 온도 환경에 따른 더욱 정확한 물성 자료를 제시함으로써 구조설계시 강도의 안전여유 정도를 판단할 수 있는 기초공학자료를 제시하였다.
본 연구에서는 초음속 비행체 구조재료로 사용되는 A12024-T3에 대해 급속 표면가열로 인한 재료의 열특성을 규명하기 위하여 복사가열 방식의시험장치를 제작하였으며, 실제 운용되는 가열조건(l℃/sec~30'C/sec)하에서 인장시험을 수행하였다. 본 시험결과와 기존의 30분간 유지하는일정 온도에서의 인장시험 결과를 비교 검토하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

4) 항복거동을 항복온도와 가열률의 상관관계로묘사할 수 있는 가열률-항복온도 계수를 도출하였다.
Fig. 3과 Fig. 4에 급속 가열 인장시험장치 구성도 및 시험장치 사진을 보여주고 있는데, 10톤용량의 MTS사 제품인 재료시험기에 추가로 급속가열을 가열장치를 설치하여 시험장치를 구성하였다. 시편가열은 Fig.
급속 가열 인장시험은 하중을 유지한 상태에서 석영 램프 복사 가열기를 이용하여 온도를 부가하였다. 먼저 시편의 균일한 외부 열입력을 확인하기 위하여 K형 열전대를 사용하여 시편의 중심에서 상하 15 mm의 간격을 두고 위에서부터 양면에 총 6개를 부착하여 가열률에 따른 온도 편차 정도를 확인하였으며, 초기 하중 설정은 상온 정적 인장시험을 통하여 구한 응력-변형률 선도로부터 이 재료의 항복강도를 구한 다음 탄성한계 내에서 항복강도의 90%, 70%, 50%, 30%의 하중으로 정하였으며, 이 하중을 유지시킨 후 가열률을 달리하면서 시험을 수행하였다.
수 있는 항복온도를 도출하였다. 또한 구조용 재료의 급속 가열 환경에서의 거동이 크립거동과 유사한 점을 착안하여 장시간 응력 파단의 예측방법인 시간-온도 계수를 활용하여 온도와 가열률의 상관관계를 도출하고, 급속가열에 의한 가열률 및 항복온도와 응력과의 상관관계 곡선을 구하였다. 본 연구를 통하여 초음속 비행체 구조 재료로 활용되고 있는 AI2024-T3에 대한 운용 온도 환경에 따른 더욱 정확한 물성 자료를 제시함으로써 구조설계시 강도의 안전여유 정도를 판단할 수 있는 기초공학자료를 제시하였다.
먼저 시편의 균일한 외부 열입력을 확인하기 위하여 K형 열전대를 사용하여 시편의 중심에서 상하 15 mm의 간격을 두고 위에서부터 양면에 총 6개를 부착하여 가열률에 따른 온도 편차 정도를 확인하였으며, 초기 하중 설정은 상온 정적 인장시험을 통하여 구한 응력-변형률 선도로부터 이 재료의 항복강도를 구한 다음 탄성한계 내에서 항복강도의 90%, 70%, 50%, 30%의 하중으로 정하였으며, 이 하중을 유지시킨 후 가열률을 달리하면서 시험을 수행하였다. 시험 중 데이터 처리는 MG사의 System 5000을 사용하여 로드 셀에서 계측된 하중과 시편의 변형률 및 온도를 시간경과에 따라 획득하였다.
먼저상온에서 구한 항복응력을 근거로 이 하중에 대한 백분율 하중을 선정한 다음 시편 온도상승시간을 변화시켜 온도변화에 따른 재료의 인장 거동 특성을 파악한다. 가열률은 소재가 실제 운용되는 가열환경을 고려하여 l℃/sec~30℃/sec 범위내 에서 행해졌다.
본 시험결과와 기존의 30분간 유지하는일정 온도에서의 인장시험 결과를 비교 검토하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
나타낸다. 본 연구에서 식 (3), (4)를 적용하여 가열률-항복온도 계수를 구하는 과정 중에 실험 결과와 위의 시간-온도계수 결과로 부터 구한 직선들이 서로 교차하는 경향을 잘 보여주지 않았기 때문에, White-Lemay[1 이가 제안한 시간-온도계수와 유사한 다음과 같은 수정된 가열률-항복온도 계수를 제안하였다.
가열률과 온도를 나타낸다. 본 연구에서는 수정된 식 (5)로부터 구한 가열률-항복온도 계수를 이용한 결과와 식 (4)로부터 구한 가열률-항복온도 계수 결과를 비교해 보았다.
4에 급속 가열 인장시험장치 구성도 및 시험장치 사진을 보여주고 있는데, 10톤용량의 MTS사 제품인 재료시험기에 추가로 급속가열을 가열장치를 설치하여 시험장치를 구성하였다. 시편가열은 Fig. 3에서 보는 바와 같이 복사 가열방식의 6000W용 석영 램프를 사용하여 시편을 가열하는더】, 석영램프 가열기의 전압 부가는 온도제어기에서 %입력으로 전압입력을 프로그램한 다음 프로그램된 입력이 0 - 5V의 전압으로 환산되어 전력 제어 기로 보내어 지며 전력제어기에서 이 입력된 전압을 0 - 480V의 전압으로 변환시 켜 석 영램프 가열기에 전원을 공급함으로써 시편을 가열한다. 전력제어기와 가열기 사이의 결선은 3상 델타부하로 결선되며, 가열기의 효율을 높이기 위하여 반사경 내부에 냉각수가 흐르도록 하였다.
1에 일정온도 인장시험 및 급속가열 인장시험에 사용된 시편의 형상을 나타내고 있다. 시편형태는 판형 인장 시편으로 가열기의 크기와 가열면적 등을 고려하여가 열기 외부에서 시편이 고정되도록 그립 부분을 길게 제작하였다.
먼저 시편의 균일한 외부 열입력을 확인하기 위하여 K형 열전대를 사용하여 시편의 중심에서 상하 15 mm의 간격을 두고 위에서부터 양면에 총 6개를 부착하여 가열률에 따른 온도 편차 정도를 확인하였으며, 초기 하중 설정은 상온 정적 인장시험을 통하여 구한 응력-변형률 선도로부터 이 재료의 항복강도를 구한 다음 탄성한계 내에서 항복강도의 90%, 70%, 50%, 30%의 하중으로 정하였으며, 이 하중을 유지시킨 후 가열률을 달리하면서 시험을 수행하였다. 시험 중 데이터 처리는 MG사의 System 5000을 사용하여 로드 셀에서 계측된 하중과 시편의 변형률 및 온도를 시간경과에 따라 획득하였다.
온도제어는 K형 열전대를 각각의 가열영역에 위치한 시편의표면에 부착하여 제어하며, 인장시험은 실제 변형률이 측정되는 부분의 온도가 시험온도에 도달후 30분간 노출시킨 다음 변위 제어 방식으로 분당 1 nim의 변위 이동속도로 시험을 수행하였다. 시험온도는 상온, 100t, 2001, 300℃ 까지 시험을 수행하였다. 하중은 로드셀를 이용하여 계측하며, 변 형 률은 최대 사용 온도가 1500'C 인 고온용 Extensometer를 사용하여 계측하였다.
재료시험기의 최대 하중 부가능력은 10톤이다. 온도제어는 K형 열전대를 각각의 가열영역에 위치한 시편의표면에 부착하여 제어하며, 인장시험은 실제 변형률이 측정되는 부분의 온도가 시험온도에 도달후 30분간 노출시킨 다음 변위 제어 방식으로 분당 1 nim의 변위 이동속도로 시험을 수행하였다. 시험온도는 상온, 100t, 2001, 300℃ 까지 시험을 수행하였다.
시험온도는 상온, 100t, 2001, 300℃ 까지 시험을 수행하였다. 하중은 로드셀를 이용하여 계측하며, 변 형 률은 최대 사용 온도가 1500'C 인 고온용 Extensometer를 사용하여 계측하였다. 시험데이터는 MG사의 System 5000을 사용하여 하중, 변형률 및 온도를 획득하였다.

대상 데이터

2.1 시험 시편

시편재료는 항공기 구조용 재료로 널리 사용되고 있는 알루미늄합금인 A12024-T3이며, 화학적 조성은 Table 1과 같다. 시편은 ASTM E- 8M[6] 에 의거하여 제작하였으며, Fig.
시험데이터는 MG사의 System 5000을 사용하여 하중, 변형률 및 온도를 획득하였다. 시험 시편수는 각온도 조건별로 3개 이상을 사용하였다.
하중은 로드셀를 이용하여 계측하며, 변 형 률은 최대 사용 온도가 1500'C 인 고온용 Extensometer를 사용하여 계측하였다. 시험데이터는 MG사의 System 5000을 사용하여 하중, 변형률 및 온도를 획득하였다. 시험 시편수는 각온도 조건별로 3개 이상을 사용하였다.
일정 온도 인장시험은 Fig. 2에서 보는 바와같이 MTS사 제품의 고온가열로 및 재료시험기를 사용하였다. 고온가열로의 최대온도는 1000℃이며 3개의 가열영역으로 되어 있다.

이론/모형

Table 1과 같다. 시편은 ASTM E- 8M[6] 에 의거하여 제작하였으며, Fig. 1에 일정온도 인장시험 및 급속가열 인장시험에 사용된 시편의 형상을 나타내고 있다. 시편형태는 판형 인장 시편으로 가열기의 크기와 가열면적 등을 고려하여가 열기 외부에서 시편이 고정되도록 그립 부분을 길게 제작하였다.

성능/효과

1) 비행체 구조설계시 30분간 노출환경에서의 인장 시험결과의 물성치를 적용하는 것이 급속가열 환경에서의 강도보다 안전여유가 있음을 확인하였다.
2) 가열률을 높이는 환경에서 재료는 일정온도에서의 강도보다 증가하며, 항복거동은 가열률과 유지하중의 크기에 영향을 받는다.
3) 가열률이 높을수록 항복온도 및 항복 응력은 증가하고, 유지응력이 높을수록 항복 온도와 항복 응력은 감소한다.
즉 이 소재의 사용온도가 300℃ 이상일 때는 항복점에 도달하자마자 곧바로 급격한 소성변화를 경험하여 파단에 이르는 것을 알수 있는데, 이는 냉간가공된 소재의 온도상승에 따라 재결정이 이루어져 급격한 강도 저하를 동반한 것으로 판단된다. Table 2의 시험 결과를 보면 각 시험온도별 항복강도, 인장강도 및 탄성계수는 온도가 증가할수록 감소하는데, 특히 시험온도가 상온과 100℃인 경우에는 강도 및 강성의 감소폭이 작으나, 200℃이후부터 현저히 저하되는 것을 알 수 있다.
3과 같다. 본 수정식에서 구한 응력과 실험치와의 최대 오차는 6%이내 이고, 식 (4)의 경우는 10% 이내를 보여줌으로써 대체로 수정된 식이 실험치와 더 근접함을 알 수 있었다. 위 결과로 미루어 크립시험의 수명예측에 사용되는 시간-온도 계수를 응용하여 급속가열 인장 시험에 적용 시 가열률과 항복온도를 통하여 항복강도를 예측할 수 있는 유용한 도구임이 확인되었다.
5의 응력-변형률 선도를 관찰해 보면상온, 100# 그리고 200T 인 경우에는 재료의 항복이 일어난 후 변형률 경화현상을 관찰할 수 있으며, 이는 일반적인 연성재료의 기계적 거동에서 볼 수 있는 결과와 유사하다. 상온과 loot■인경우 응력-변형률 선도는 거의 유사한 경향을 보여주었으나, 온도가 200X이상 상승하면서 항복응력과 인장강도가 현저히 저하되는 것을 알 수 있다. 특화, 300℃의 경우 항복점 이후에 연화 현상이 나타났으며 이 항복점이 바로 최대 강도값을 나타내었다.
본 수정식에서 구한 응력과 실험치와의 최대 오차는 6%이내 이고, 식 (4)의 경우는 10% 이내를 보여줌으로써 대체로 수정된 식이 실험치와 더 근접함을 알 수 있었다. 위 결과로 미루어 크립시험의 수명예측에 사용되는 시간-온도 계수를 응용하여 급속가열 인장 시험에 적용 시 가열률과 항복온도를 통하여 항복강도를 예측할 수 있는 유용한 도구임이 확인되었다.

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