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문제 정의
- 본 논문에서는 Al6061 합금의 열처리에 따른 석출물의 생성으로 발생하는 기지와 석출물간의 규칙적인 격자구조의 변형과 같은 재료 내 미세 변화를 초음파의 비선형 파라미터와 마이크로 비커스 경도 측정을 통해 분석하고자 하였다. 이를 위해 Al6061 시편을 540℃에서 용체화 처리 후, 열처리 온도 220℃에서 20 min, 40 min, 60 min, 120 min, 600 min으로 열처리한 5종류의 열처리 시편과 열처리 하지 않은 상온의 Al6061-T6 시편을 준비하였다.
제안 방법
- 그리고 각 시편에서의 비선형 파라미터를 측정하기 위하여 5 MHz 톤버스트 종파를 이용하였다. 시편을 투과하여 수신된 신호는 FFT를 이용하여 5 MHz와 10 MHz 성분의 크기를 구하였다. 이로부터 비선형 파라미터 값을 구하였고, 이후 마이크로 비커스 경도계를 이용하여 경도를 측정하였다.
- 시편을 투과하여 수신된 신호는 FFT를 이용하여 5 MHz와 10 MHz 성분의 크기를 구하였다. 이로부터 비선형 파라미터 값을 구하였고, 이후 마이크로 비커스 경도계를 이용하여 경도를 측정하였다. 열처리 시간에 따른 비선형 파라미터 측정 결과로 부터 열처리에 따른 재료 내 미세 구조적인 변화를 추정하였으며, 경도 측정 결과로부터 이러한 추정이 합당함을 증명하였다.
- 시편은 540℃에서 용체화 처리(solution treatment)를 진행하여 과포화 고용체를 형성한 후, 상온의 물에서 60분간 급냉(water quenching)하여 과포화 고용체 상태를 유지시켰다. 이후 220℃의 일정한 온도에서 20 min, 40 min, 60 min, 120 min, 600 min 5종류의 시효 경화 열처리를 진행하였으며, 열처리하지 않은 초기 시편과 열처리한 5종류의 시효 경화 열처리 시편으로부터 Al6061 합금의 시효 열처리에 따른 미세 석출물의 생성에 의한 재료의 변화를 초음파 비선형 파라미터와 마이크로 비커스 경도로부터 분석하였다.
- 1(b)에 표시된 시편의 중앙부에서 시편 당 5회씩 측정하였다. 주파수 분석을 통해 효과적으로 고조파 성분을 분리 측정하기 위해서 21사이클의 사인파형 톤 버스트(tone burst) 형태의 협대역 신호를 고전압 펄서(RAM 5000, RITEC, USA)를 사용하여 송신 하였고, 송신 탐촉자는 중심주 파수가 5 MHz인 협대역 탐촉자를 사용하였다. 송신된 초음파 신호는 시편을 투과하여 수신되고 수신되는 초음파 신호의 2차고조파 성분을 민감하게 수신하기 위해 수신 탐촉자는 10 MHz의 중심주파수를 가지는 협대역 탐촉자를 사용하였다.
- 주파수 분석을 통해 효과적으로 고조파 성분을 분리 측정하기 위해서 21사이클의 사인파형 톤 버스트(tone burst) 형태의 협대역 신호를 고전압 펄서(RAM 5000, RITEC, USA)를 사용하여 송신 하였고, 송신 탐촉자는 중심주 파수가 5 MHz인 협대역 탐촉자를 사용하였다. 송신된 초음파 신호는 시편을 투과하여 수신되고 수신되는 초음파 신호의 2차고조파 성분을 민감하게 수신하기 위해 수신 탐촉자는 10 MHz의 중심주파수를 가지는 협대역 탐촉자를 사용하였다. 이때 송수신되는 접촉식 탐촉자의 접촉상태를 일정하게 유지하기 위하여 공압기를 사용하여 접촉압력을 0.
- (b)와 같이 기본주파수 성분과 2차고조파 성분의 크기를 구하였고, 이로부터 상대 비선형 파라미터 β′ 을 구하였다.
- 2(a)는 열처리하지 않은 초기 시편의 수신 신호이다. 신호 분석을 위해 수신신호의 안정한 구간에 해당하는 15cycle의 신호를 획득하여 해닝윈도우(Hanning window) 적용 후 FFT 처리하였다. FFT 결과로부터 Fig.
- 시편에 대해 초음파 비선형 파라미터를 측정한 후 초음파 비선형 파라미터를 측정한 시편의 중앙부(Fig. 1(a)에 표시)에서 마이크로 비커스 경도계(micro Vickers hardness tester)를 이용하여 미세경도를 시편당 10회씩 측정하였다. 마이크로 비커스 경도(micro Vickers hardness)는 2 kg의 하중으로 10초간 하중을 유지하여 측정하였다.
- 본 연구에서는 A6061-T6의 인공시효 열처리에 따른 초음파 비선형 파라미터의 특성 변화를 분석하기 위해 열처리 온도 220℃에서 20 min, 40 min, 60 min, 120 min, 600 min으로 열처리한 5종류의 열처리 시편과 열처리 하지 않은 상온의 시편을 제작하여 실험을 진행하였고, 초음파 실험 후 경도를 측정하여 초음파 비선형 파라미터 측정 결과로부터 열처리에 따른 재료 내 미세 구조적인 변화를 추정하였으며, 경도 측정 결과로부터 이러한 추정이 합당함을 증명하였다.
대상 데이터
- 시편은 40 × 200 × 20 mm 사이즈의 Al6061합금을 사용하였다.
- 본 논문에서는 Al6061 합금의 열처리에 따른 석출물의 생성으로 발생하는 기지와 석출물간의 규칙적인 격자구조의 변형과 같은 재료 내 미세 변화를 초음파의 비선형 파라미터와 마이크로 비커스 경도 측정을 통해 분석하고자 하였다. 이를 위해 Al6061 시편을 540℃에서 용체화 처리 후, 열처리 온도 220℃에서 20 min, 40 min, 60 min, 120 min, 600 min으로 열처리한 5종류의 열처리 시편과 열처리 하지 않은 상온의 Al6061-T6 시편을 준비하였다. 그리고 각 시편에서의 비선형 파라미터를 측정하기 위하여 5 MHz 톤버스트 종파를 이용하였다.
데이터처리
- 65 MPa로 일정하게 유지하였다. 수신된 신호는 디지털 오실로스코프(Lecroy WS452)에서 A/D 변환하였고 컴퓨터에서 주파수 분석(FFT)을 통해 신호처리 하였다.
성능/효과
- 이로부터 비선형 파라미터 값을 구하였고, 이후 마이크로 비커스 경도계를 이용하여 경도를 측정하였다. 열처리 시간에 따른 비선형 파라미터 측정 결과로 부터 열처리에 따른 재료 내 미세 구조적인 변화를 추정하였으며, 경도 측정 결과로부터 이러한 추정이 합당함을 증명하였다.
- 3(a)는 열처리 시간에 따른 비선형 파라미터 측정 결과이다. 측정 결과는 상온 시편에서 얻은 비선형 파라미터 값을 기준으로 정규화(normalizing)하였으며, 측정 편차는 2.92 %이었다. Fig.
- 이러한 전위 농도의 증가는 재료의 강도 저하의 원인이 되고 열처리 시간 120분 이후에 재료의 경도 저하가 나타난다. 비선형 파라미터의 변화가 나타나는 열처리 시간 40분과 120분에서 경도가 급변하였고 이러한 결과로부터 비선형 파라미터로 추정한 재료 내 미세구조의 변화를 경도 측정 결과로부터 합당함을 증명할 수 있다.
- 그 결과 초음파 비선형 파라미터는 재료 경도의 단순한 증감이 아닌, 석출 거동 메커니즘에 의한 재료 미세조직의 변화에 매우 민감한 결과를 보였다. 이와 같은 결과로 볼 때, 초음파 비선형 파라미터가 재료의 미세구조 분석 및 상태 진단에 매우 유용할 것으로 기대되며, A6061-T6의 열처리에 따른 미세 구조적 변화 평가를 위한 파괴적 재료 분석 방법을 대체할 수 있는 방법으로의 발전 가능성을 확인할 수 있다.
후속연구
- 이러한 비선형 파라미터의 증감 때문에 비선형 파라미터와 재료의 미세구조 사이에 1:1 매칭을 통한 재료의 미세구조 분석 및 상태 진단에는 어려움이 있다. 따라서 비선형 파라미터를 이용한 미세 구조 분석 및 상태 진단을 위한 추가적인 연구가 요구된다.
- 그 결과 초음파 비선형 파라미터는 재료 경도의 단순한 증감이 아닌, 석출 거동 메커니즘에 의한 재료 미세조직의 변화에 매우 민감한 결과를 보였다. 이와 같은 결과로 볼 때, 초음파 비선형 파라미터가 재료의 미세구조 분석 및 상태 진단에 매우 유용할 것으로 기대되며, A6061-T6의 열처리에 따른 미세 구조적 변화 평가를 위한 파괴적 재료 분석 방법을 대체할 수 있는 방법으로의 발전 가능성을 확인할 수 있다.
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