[논문]Ti-15-3합금의 결정립 미세화가 인장 특성에 미치는 영향

이찬영; 박용민; 이영국

doi:10.3740/mrsk.2009.19.11.619

문제 정의

따라서, 본 연구에서는 연성을 감소시키는 a 상의 석출 없이, P 상의 결정립 미세화가 Ti-15-3 합금의 강도와 연성에 미치는 영향에 대해 조사하고자 하였다.
본 연구에서는 Ti-15-3 합금에서 p 상의 결정립 미세화를 위해 냉간압연량과 재결정 열처리 조건을 변화시켰고, 이에 따른 미세조직과 기계적 성질을 조사하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
그러나, 재결정 열처리 시간이 5분과 10분의 경우에는 경도가 약 600oC 전후로 급격하게 감소하고, 700oC 정도에서 재결정이 완료되었다고 판단된다. 이를 확인하기 위해 각각의 재결정 열처리 조건에서 미세조직을 관찰해 보았다. Fig.

가설 설정

만약 결정립이 조대하면 전위의 자유 이동 거리는 길어지게 되어, T 가 증가하게 된다. 변형속도가 느리면 전위의 이동 속도가 느려지기 때문에, 18) T 가 증가하게 된다. 초세립 CU 합금의 경우 결정립 크기가 작기 때문에 변형 중에 전위가 소멸되는 시간이 짧아, 결정립계에 전위 축적이 적어 가공경화가 미미한 것이라고 판단된다.

제안 방법

3은 a 상의 등온 석출 속도를 보여주고 있다.4) 이 그림을 토대로 재결정 열처리 시 a 상이 석출되지 않도록 450~790_oC에서 3, 5, 10분간 등온 열처리하는 것을 재결정 열처리 조건으로 정하였다. Fig.
그러나, 이 결정립 크기는 냉간압연 후 중간 회복열처리를 하여 얻어진 평균 결정립 크기인 약 30 μm보다 2배 정도 크다.9) 이에 결정립 크기를 더 최소화하기 위해 냉간압연량을 90%로 하여 재결정 온도와 시간을 변화 시켜 결정립을 미세화시켜 보았다.
4. Rockwell hardness of the specimens which were 90% cold-rolled and annealed at different temperatures of 450℃ to 790℃ for 3, 5, and 10 min, respectively.
결정립 미세화를 위한 최적의 재결정 열처리 조건을 찾기 위해서 90%로 냉간압연한 판재를 600oC, 650oC, 700oC, 750oC, 770oC, 790oC에서 각각 3, 5, 10분간 염욕로를이용하여 열처리한 후 수냉하였다. 재결정 열처리 조건은경도 변화 곡선을 이용하여 결정하였으며, 경도 측정은 로크웰 경도기(B scale)를 이용하여 측정하였다.
결정립 미세화에 대한 냉간가공도의 영향을 살펴보기 위해 30~90%로 냉연된 판들을 790_oC에서 40분 동안 열처리 하였다. Fig.
기계적 성질 평가를 위하여 표점부의 거리 25mm, 폭 6 mm, 두께 2.5 mm를 갖는 ASTM B557M 규격으로 제작된 인장시편을 Instron(Model-3382) 장비를 이용하여 2mm/min의 변형속도로 상온에서 인장시험을 실시하였다.
냉간가공 도와 재결정 열처리 조건이 P 상의 결정립 미세화에 미 치는 영향을 알아보고자 60w X 12' _{X 1501 mm³의 각재로} 기계 가공하였다. 냉간가공도가 결정립 미세화에 미치는 영향을 조사하기 위해 두께 감소율 30%, 50%, 73%, 83%, 90%로 상온에서 냉간압연 하였다.
냉간가공 도와 재결정 열처리 조건이 P 상의 결정립 미세화에 미 치는 영향을 알아보고자 60w X 12' _{X 1501 mm³의 각재로} 기계 가공하였다. 냉간가공도가 결정립 미세화에 미치는 영향을 조사하기 위해 두께 감소율 30%, 50%, 73%, 83%, 90%로 상온에서 냉간압연 하였다. 재결정 열처리는 염욕로에서 790oC에서 40분간 실시한 후 수냉하였다.
미세조직 관찰은 시편을 기계적 연마한 후, 5% HF, 10% HNO₃, 85% H₂O 혼합용액으로 에칭하여 광학현미경을 이용하여 관찰하였다. 평균 결정립 크기는 linear intercept method7) 를 사용하여 측정하였다.
이를 자세하게 확인하기 위해, Fig. 10과 같이 700oC에서 5분간 재결정한 열처리 시편의 진응력-진변형률 곡선을 이용하여 가공 경화 속도-진변형률 곡선을 나타내 보았다. 항복 후 소성구간에서 가공 경화 속도가 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 진변형률이 0.
인장 시편내의 전위를 관찰하기 위해 투과전자현미경 (JEOL JEM2100F)을 이용하였다. 투과전자현미경 관찰을 위한 thin foil 시편은 -40oC의 5% sulfuric acid + 95% methanol 혼합 용액에서 twin-jet polishing 방법으로 만들었다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 재료는 미국 Allegheny Teledyne 사로부터 구입한 직경 140 mm의 원통형으로 단조된 Ti-15-3 합금으로 평균 결정 립 크기는 300 μm이다. 냉간가공 도와 재결정 열처리 조건이 P 상의 결정립 미세화에 미 치는 영향을 알아보고자 60w X 12' _{X 1501 mm³의 각재로} 기계 가공하였다.

이론/모형

열처리한 후 수냉하였다. 재결정 열처리 조건은경도 변화 곡선을 이용하여 결정하였으며, 경도 측정은 로크웰 경도기(B scale)를 이용하여 측정하였다.
JEM2100F)을 이용하였다. 투과전자현미경 관찰을 위한 thin foil 시편은 -40oC의 5% sulfuric acid + 95% methanol 혼합 용액에서 twin-jet polishing 방법으로 만들었다.
이용하여 관찰하였다. 평균 결정립 크기는 linear intercept method7) 를 사용하여 측정하였다.

성능/효과

사용되고 있다.2) 특히, 시효 처리 전에 냉간가공을 하면 미세한 a 상을 분산 석출시킬 수 있어 보다 큰 강도의 향상을 기대할 수 있다.3) 그러나 이러한 시효처리는 연성과 인성의 급격한 감소를 동반하기 때문에, 최근에 연성의 큰 저하 없이 강도를 향상시키기 위한 많은 연구가 진행되고 있다.
결정립 크기를 더욱 미세화하기 위해 냉간압연량을 90%로 일정하게 하고, 재결정 열처리 조건을 변화시킨 결과, 재결정 열처리 온도가 낮고, 시간이 짧을수록 결정립 크기가 미세화되어, 700oC 에서 5분간 재결정 열처리한 경우 평균 결정립 크기가 19 μm로 미세화되었다. 기계적 성질을 살펴보면 결정립 크기가 작아질수록 항복강도는 증가하였지만, 평균 결정립 크기가 40 μm 이상에서는 항복강도가 완만하게 감소하였다.
결정립 크기를 더욱 미세화하기 위해 냉간압연량을 90%로 일정하게 하고, 재결정 열처리 조건을 변화시킨 결과, 재결정 열처리 온도가 낮고, 시간이 짧을수록 결정립 크기가 미세화되어, 700oC 에서 5분간 재결정 열처리한 경우 평균 결정립 크기가 19 μm로 미세화되었다. 기계적 성질을 살펴보면 결정립 크기가 작아질수록 항복강도는 증가하였지만, 평균 결정립 크기가 40 μm 이상에서는 항복강도가 완만하게 감소하였다. 결정립 미세화로 인해 항복강도가 증가함에도 불구하고, 연신율은 급격한 감소없이 15~20%를 유지하였으며, 인장강도는 가공경화가 없기 때문에 항복강도와 거의 유사한 값을 갖는다.
2에 나타내었다. 냉간압연량이 증가함에 따라 p 상의 결정립 크기가 거의 직선적으로 감소되었으며, 냉 간 압연량이 90%일 때는 평균 결정립 크기가 약 67 μm이었다. 그러나, 이 결정립 크기는 냉간압연 후 중간 회복열처리를 하여 얻어진 평균 결정립 크기인 약 30 μm보다 2배 정도 크다.
4는 재결정열처리 조건이 다른 시편들의 경도 값으로, 재결정되었는지를 알아보기 위해 측정했다. 온도에 따라 경도 값을 살펴보면 450oC에서 열처리된 시편의 경도 값이 가장 높았으며, 온도가 높아질수록 경도 값은 점차 감소하다가 대략 750oC 이상에서는 거의 일정한 경도 값을 보인다.
결정립 크기가 작을수록 항복강도는 증가하고 있으며, 평균 결정립 크기가 약 19 μm의 경우에는 평균 결정립 크기가 약 63 μm인경우보다 항복강도가 90 MPa 정도 높은 것을 알 수 있다. 이 그래프를 보면 결정립 크기가 커질수록 항복강도는 급격하게 감소하다가 평균 결정 립 크기가 40 pm 이상에서는 완만하게 감소하는 것을 볼 수 있다.
7은 서로 다른 재결정 열처리 조건에서 재결정된 시편들의 응력-변형률 곡선이다. 재결정 열처리 온도가 낮아 결정립 크기가 작을수록 항복강도는 증가함을 알 수 있다. 이를 보다 명확히 보기 위해 결정립 크기에 따른 항복강도의 변화를 Fig.
재결정 열처리는 790oC에서 40분간 일정하게 하고, 냉 간 압연량을 달리한 경우, 냉간압연량이 증가할수록 결정립 크기는 작아지고, 최대 90%로 냉간압연한 경우에는 평균 결정립 크기가 약 67 μm로 미세화되었다. 결정립 크기를 더욱 미세화하기 위해 냉간압연량을 90%로 일정하게 하고, 재결정 열처리 조건을 변화시킨 결과, 재결정 열처리 온도가 낮고, 시간이 짧을수록 결정립 크기가 미세화되어, 700oC 에서 5분간 재결정 열처리한 경우 평균 결정립 크기가 19 μm로 미세화되었다.
10과 같이 700oC에서 5분간 재결정한 열처리 시편의 진응력-진변형률 곡선을 이용하여 가공 경화 속도-진변형률 곡선을 나타내 보았다. 항복 후 소성구간에서 가공 경화 속도가 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 진변형률이 0.02 이상에서는 가공경화 속도가 거의 0에 가까운 것을 알 수 있다. 이를 통해 항복 후 가공경화가 거의 일어나지 않음을 확인할 수 있다.

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