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[국내논문] 입자 강화 금속기지 복합재의 연속체 강도해석을 위한 전위 펀칭 이론의 전산적 평가
Numerical Assessment of Dislocation-Punching Theories for Continuum Structural Analysis of Particle-Reinforced Metal Matrix Composites 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.35 no.3, 2011년, pp.273 - 279  

서영성 (한남대학교 기계공학과) ,  김용배 (한남대학교 기계공학과)

초록
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입자 강화 복합재료는 입자의 크기가 감소할수록 그 항복강도가 증가하므로, 입자의 크기에 대한 길이 스케일을 보인다. 항복강도에 대한 이러한 길이 스케일은 복합재가 압밀된 후 냉각될 때 기지재와 입자간 열팽창계수의 상이함에 의하여 입자 주위 기지재에 펀칭되는 기하적 필수 전위가 주된 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 입자 강화 복합재의 연속체 강도해석 모델링에 사용할 수 있는 두 가지 전위 펀칭이론들에 대하여 전산적으로 검토하였다. 즉, 입자 주위에 펀치되는 전위 영역의 크기를 계산하는 대표적인 두 가지 이론들인 Shibata 등 및 Dunand and Mortensen 이론으로부터 전위 펀치 영역의 크기를 계산하고, 이를 유한요소해석에 적용하여 복합재의 항복 강도를 예측하였으며 실험값과 정성적으로 비교하였다. 본 연구에서 입자가 매우 작은 경우, 즉, 입자의 크기가 2.m이하인 경우에 두 이론 간에 극명한 차이를 보여주었으며, Shibata 등의 정식이 정성적으로 실험값에 더 근사한 것을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The yield strength of particle-reinforced composites increases as the size of the particle decreases. This kind of length scale has been mainly attributed to the geometrically necessary dislocation punched around the particle as a result of the mismatch of the thermal expansion coefficients of the p...

Keyword

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문제 정의

  • 즉 소성변형이 발생하는 부분을 개략적인 펀치영역으로 추정하고, 그 계산 결과를 Shibata 정식 및 D&M 정식의 계산 식과 비교함으로써 두 정식으로부터 예측되는 거통을 관찰하고자 하였다.

가설 설정

  • 을 적용하고 금속기지 복합재 성형시 입자의 체적비를 고려하여 펀칭으로 인한 이동 거리를 계산 하였다. 입자는 탄성으로 가정하였고, 이를 둘러싸고 있는 기지재는 등방성 탄소성 재료로 가정하였다. 복합재를 제조할 때 열간 성형이 되었다가 냉각되는 온도의 변화로 인해 응력이 전혀 없는 상태에서 잔류응력이 발생하고, 이것이 소성 완화됨으로 말미암아 Fig.
  • | Ω0 | 상에 작용하는 Peach-Koehler 힘(8)은 구형대칭으로 어느 방향으로나 같은 값을 가지므로, Fig. 1(b)와 같이 전위가 바깥 방향으로 이동해 나간다고 가정하였다. 이는 미끄럼 운동에 의해 이루어지는 전위 펀칭이다.
  • 은 단결정 기지재를. 가정하여 #를 사용하였으며, 본 연구에서도 입자의 크기가 기지재 결정립의 크기보다 작다고 가정하여 동일한 가정을 적용하였다.
  • y 축의 상대편에 있는 변에는 주기적 대칭 조건을 부여하여 견인력(traction)이 영이며 변이 직선을 유지하며 움직일 수 있도록 하였다. SiC 입자는 등방성과 탄성을 가지는 것으로 가정하였다. A356-T6 알루미늄 합금기지재는 등방성과 탄소성으로 가정하였고, Burgers 벡터 b 는 0.
  • SiC 입자는 등방성과 탄성을 가지는 것으로 가정하였다. A356-T6 알루미늄 합금기지재는 등방성과 탄소성으로 가정하였고, Burgers 벡터 b 는 0.283 nm 로 가정하였다. SiC 입자와 A356-T6 알루미늄 합금 기지재의 기계적 성질을 Table 1 에 수록하였다.
  • 단축 응력–소성변형률의 관계식은, Lloyd(2)의 실험측정치로부터 Qu 등(12)이 피팅(fitting)하여 얻은 데이터를 활용하였다. 또한 복합재 압밀 후 냉각하여 상온까지의 최대 변화온도는 474℃로 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
입자 강화 복합재의 연속체 강도해석을 위한 전위 펀칭이론들에 대하여 전산적 검토에서 주목할 점은 무엇인가? Suh 등(3)은 최근에 이러한 점을 고려하여 압밀 후 냉각시 일어나는 기하적 필수 전위를 고려하여 펀칭영역의 크기를 계산하는 Shibata 등(4)의 식을 유한요소 단위셀로 모델링하여 연속체적인 강도해석을 통해 복합재의 항복 응력을 예측함으로써 입자의 크기 및 펀치영역 크기에 의한 길이 스케일과 함께 기존 실험값과 유사한 경향을 보인 바 있다. 이 연구에서 주목할 점은 펀칭된 전위를 계산하여 펀칭영역에 증가된 강도를 미리 부가하였으며, 항복응력에 주안점을 두었기에 소성변형률이 증가하면서 입자와 기지재 간의 탄소성 부조화(mismatch)로 인하여 경계면 주위에서 발생하는 변형률 구배를 별도로 고려할 필요가 없다는 점이다. Suh 등(3)이 사용한 Shibata 등(4)의 정식(이하 Shibata 정식)과 거의 동일한 시기에 Dunand 와 Mortensen(5)이 역시 입자와 기지재간의 열팽창계수의 상이함에 의한 전위 펀칭 영역의 크기를, 구형입자가 등방, 선형 탄소성 무한영역에서 팽창 하는 경우를 해석한 Hill 이론(6)을 활용하여 계산한 바 있다(이하 D&M 정식).
입자 강화 금속기지 복합재의 특징은? 입자 강화 금속기지 복합재는 비강도 및 비강성도가 높은 편이어서 항공 우주 및 자동차, 레저산업에서 요긴하게 사용되는 재료 중의 하나이다. 입자 강화 금속기지 복합재는 입자의 크기에 따라 강도의 크기가 변하는, 내재적 길이 스케일(length scale)을 가지고 있음이 이미 실험적으로 관찰된 바 있다.(1,2) 최근까지 많은 연구자들이 입자의 탄성과 기지금속이 탄소성에 의하여 비롯되는 변형률 구배가 이러한 길이 스케일에 밀접한 관계가 있음을 보인 바 있다.
길이 스케일에 밀접한 관계가 있는 요소는? 입자 강화 금속기지 복합재는 입자의 크기에 따라 강도의 크기가 변하는, 내재적 길이 스케일(length scale)을 가지고 있음이 이미 실험적으로 관찰된 바 있다.(1,2) 최근까지 많은 연구자들이 입자의 탄성과 기지금속이 탄소성에 의하여 비롯되는 변형률 구배가 이러한 길이 스케일에 밀접한 관계가 있음을 보인 바 있다. 그러나 이러한 연구에서 대부분의 연구자들이 금속복합재의 압밀(consolidation)후에 냉각되는 과정에서 입자와 금속기지간의 열팽창계수 차이에 의하여 입자 주위에 펀칭되는 기하적 필수 전위(Geometrically Necessary Dislocation, 이하 GND)를 간과하여, 실험 값과는 근사함을 보이지 못하는 경우가 많았다.
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참고문헌 (13)

  1. Arsenault, R. J. and Shi, N., 1986, “Dislocation Generation due to Differences Between the Coefficients of Thermal Expansion,” Materials Science and Engineering, Vol. 81, pp. 175-187. 

  2. Lloyd, D. J., 1994, “Particle Reinforced Aluminium and Magnesium Matrix Composites,” International Materials Reviews, Vol. 39, No. 1, pp. 1-23. 

  3. Suh, Y. S., Joshi, S. P. and Ramesh, K., 2009, “An Enhanced Continuum Model for Size-Dependent Strengthening and Failure of Particle-Reinforced Composites,” Acta Materialia, Vol. 57, No. 19, pp. 5848-5861. 

  4. Shibata, S., Taya, M., Mori, T. and Mura, T., 1992, “Dislocation Punching from Spherical Inclusions in a Metal Matrix Composite,” Acta Metallurgica et Materialia, Vol. 40, No. 11, pp. 3141-3148. 

  5. Dunand, D. C. and Mortensen, A., 1991, “On Plastic Relaxation of Thermal Stresses in Reinforced Metals,” Acta Metallurgica et Materialia, Vol. 39, No. 2, pp. 127-139. 

  6. Hill, R., 1998, The Mathematical Theory of Plasticity, Oxford University Press, U.S.A. 

  7. Eshelby, J., 1959, “The Elastic Field Outside an Ellipsoidal Inclusion,” Proceedings of the Royal Society of London, Series A 27, Vol. 252, No. 1271, pp. 561-569. 

  8. Peach, M. and Koehler, J., 1950, “The Forces Exerted on Dislocations and the Stress Fields Produced by Them,” Physical Review, Vol. 80, No. 3, pp. 436-439. 

  9. Hansen, N., 1977, “The Effect of Grain Size and Strain on the Tensile Flow Stress of Aluminium at Room Temperature,” Acta Metallurgica, Vol. 25, No. 8, pp. 863-869. 

  10. Dassault Systemes Simulia, Inc., 2010, ABAQUS v. 6.9, Providence, U.S.A. 

  11. Suh, Y. S., Kim, Y. and Rhee, Z., 2009, “Strength Analysis of Particle-Reinforced Aluminum Composites with Length-Scale Effect based on Geometrically Necessary Dislocations,” Transactions of Materials Processing, Vol. 18, No. 6, pp. 482-487. 

  12. Qu, S., Siegmund, T., Huang, Y., Wu, P. D., Zhang F. 

  13. Arsenault, R.J., Wang, L. and Feng, C. R., 1991, “Strengthening of Composites due to Microstructural Changes in the Matrix,” Acta Metallurgica et Materialia, Vol. 39, No. 1, pp. 47-57. 

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