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문제 정의
- 본 연구는 다양한 온도 조건 하에서 Mg-Al 합금의 인장 시험과 응력이완 시험을 수행하고, 그 결과를 비탄성 변형이론을 바탕으로 해석하여 마그네슘 합금의 미세구조 변화와 그에 따르는 변형 거동에 관하여 고찰하는 것을 목적으로 한다.
제안 방법
- 10-2의 변형율로 1%정도 인장 후 cross-head를 정지시켜 시간에 따른 응력의 감소 경향을 관찰하였다. 그리고 그 결과를 Hart의 식에 적용하여 Fig.
- 103/s의 고정된 변형율로 저항 가열로를 이용 하여, 150, 200, 250 및 350℃에서 인장 실험을 수행하였다. 상온에서 각 시험 온도까지의 도달 시간은 90~120분 정도가 소요되었다.
- 결정립 크기 증가, Mg17Al12상의 열적 불안정과 non-basal 슬립기구 활성화 효과 등이 복합적으로 작용하여 온도 증가에 따른 항복 강도의 감소, 특정 온도 이상에서 연신율의 급격한 증가 및 고온 변형 중 twinning의 억제 현상등이 발생하였음을 알 수 있었다. 또한 응력이완 시험을 통하여 상기 온도 구간에서 유동 곡선들을 그리고 비탄성 변형 이론을 바탕으로 해석하여 다음과 같은 결론들을 얻을 수 있었다.
- 본 연구는 AZ31 마그네슘 합금을 대상으로 150~350℃의 온도 구간에서 인장 시험을 수행하여 변형 거동을 관찰하였다. 결정립 크기 증가, Mg17Al12상의 열적 불안정과 non-basal 슬립기구 활성화 효과 등이 복합적으로 작용하여 온도 증가에 따른 항복 강도의 감소, 특정 온도 이상에서 연신율의 급격한 증가 및 고온 변형 중 twinning의 억제 현상등이 발생하였음을 알 수 있었다.
대상 데이터
- 사용한 소재는 두께 6mm의 AZ31 마그네슘 합금(Mg-3Al-1Zn) 압연재이며, 압연 과정 중에 형성된 집합 조직과 불균일 한 결정립들의 크기 분포 효과를 제거하기 위하여 400℃에서 100분 동안 열처리 하였다. 그 결과 미세 조직은 Fig.
이론/모형
- Fig. 5의 유동 곡선을 식 (3)을 적용하여 fitting 하였고(Fig. 6), 비선형 회귀 분석법(nonlinear regression method)을 이용하여 구성 방정식 내의 각 재료 상수들을 구하여 Table 1에 나타내었다. 재료 상수들의 변화를 살펴보면, 우선 log σ* 값의 감소는 Mg17Al12 상의 열적 불안정에 기인된다고 판단된다.
- 의 변형율로 1%정도 인장 후 cross-head를 정지시켜 시간에 따른 응력의 감소 경향을 관찰하였다. 그리고 그 결과를 Hart의 식에 적용하여 Fig. 5와 같은 유동 곡선들을 구하였다. 결과의 신뢰성을 위하여 같은 조건에서 3번 반복하여 시험 하였으며, Fig.
성능/효과
- (1) 전위의 활주를 방해하는 내부장애물 강도를 나타내는 재료 상수인 σ*의 온도 증가에 따른 감 소는 Mg17Al12 상의 열적 불안정에 그 원인이 있다고 판단된다.
- (2) 온도가 증가하여 Non-basal 슬립이 활성화됨에 따라 마그네슘의 슬립 특성이 변하고, 따라서 결정립계에서 전위의 투자율을 의미하는 지수 p가 0.1에서 0.15로 변화한다.
- 그러나 변형 온도가 증가한다면, 상온 슬립 기구 외에 다른 슬립기구들도 변형에 참가하게 되어 성형성은 크게 증가하고, 미세한 결정립의 마그네슘 합금의 경우 초소성 현상이 발생하기도 한다.(2) 이와 같이 고온에서 활성화되어 성형성 증가를 주도하는 것은 Non -basal 슬립기구들로서, 그 활성화 온도는 순수 마그네슘의 경우 225℃ 정도이며 마그네슘 합금의 경우에는 조성에 따라 다르다.(1) Ono(4)는 다결정 마그네슘을 여러 온도 조건에서 인장 시험한 결과 150℃ 이상의 온도에서 Hall-Petch slope, Ky가 급격히 감소한다.
- 5와 같은 유동 곡선들을 구하였다. 결과의 신뢰성을 위하여 같은 조건에서 3번 반복하여 시험 하였으며, Fig. 5의 범례에서 2pass와 3pass는 각각 2번째와 3번째 응력이완 시험의 결과임을 뜻한다. 유동곡선들을 관찰한 결과 온도가 증가할수록 유동 곡선은 낮은 응력영역으로 이동하며, 온도와 변형률에 따라 유동곡선의 기울기에 해당하는 변형율 속도 민감계수(strain rate sensitivity, m)값이 달라짐을 알 수 있다.
- 본 연구는 AZ31 마그네슘 합금을 대상으로 150~350℃의 온도 구간에서 인장 시험을 수행하여 변형 거동을 관찰하였다. 결정립 크기 증가, Mg17Al12상의 열적 불안정과 non-basal 슬립기구 활성화 효과 등이 복합적으로 작용하여 온도 증가에 따른 항복 강도의 감소, 특정 온도 이상에서 연신율의 급격한 증가 및 고온 변형 중 twinning의 억제 현상등이 발생하였음을 알 수 있었다. 또한 응력이완 시험을 통하여 상기 온도 구간에서 유동 곡선들을 그리고 비탄성 변형 이론을 바탕으로 해석하여 다음과 같은 결론들을 얻을 수 있었다.
- 상온에서 각 시험 온도까지의 도달 시간은 90~120분 정도가 소요되었다. 변형 온도가 증가할수록 항복 강도는 거의 직선적으로 감소하는 반면, 연신율은 250℃까지는 감소하였다가 그 이상의 온도에서는 크게 증가하는 경향을 보였다(Fig. 3). Fig.
- 5의 범례에서 2pass와 3pass는 각각 2번째와 3번째 응력이완 시험의 결과임을 뜻한다. 유동곡선들을 관찰한 결과 온도가 증가할수록 유동 곡선은 낮은 응력영역으로 이동하며, 온도와 변형률에 따라 유동곡선의 기울기에 해당하는 변형율 속도 민감계수(strain rate sensitivity, m)값이 달라짐을 알 수 있다.
- 또한 gage 부에서는 150℃ 시편과는 달리 결정립 내의 twinning이 거의 존재하지 않았다. 이러한 인장 및 미세조직 관찰 결과들을 종합하여 볼 때, 항복응력의 감소는 결정립 성장과 AZ31 마그네슘 합금의 유일한 강화상인 Mg17Al12 상의 열적 불안정에 그 원인이 있다고 판단되어지며, 한편 250℃ 이상의 온도에서 나타나는 연신율의 급격한 증가와 350℃ 시편의 gage부에서 twinning이 나타나지 않는 것은 non-basal 슬립기구 활성화에 그 원인이 있다고 할 수 있다. HCP 결정 구조 금속의 경우 상온 및 저온에서 변형이 일어날 경우 제한된 슬립기구 수로 인하여 twinning 현상이 활발하게 일어나나, 고온에서는 슬립기구들의 수가 증가하여 변형을 수용하고 twinning 현상을 억제한다.
후속연구
- 즉, 항복 응력의 감소와 250 ~300℃ 이상의 온도 영역에서 연신율이 급격히 증가하는 현상은 공통적으로 관찰되나, 할로겐 램 프 가열로의 경우 150~250℃ 영역에서 10% 정도의 연신율 증가가 관찰된다. non-basal slip이 본격적으로 활성화되기 전에 발생하는 이러한 연신율의 증가 또는 감소 현상에 관해서는 앞으로 좀 더 체계적인 연구가 필요하다 생각되어 진다.
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