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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 6000계열 알루미늄 합금 AA6061, AA6082를 선정하고, 실험온도(110-293 K) 및 인장 속도(0.5, 30mm/min)에 따른 실험을 통해, 온도 및 준정적 변형률 속도에 대한 재료의 기계적 거동 특성을 조사하였다. 또한, 이 재료의 파단형상을 거시적, 미시적으로 관찰하여, 극저온 거동에 대한 분석 결과를 뒷받침하였다.
- 본 연구에서는 극저온 인장실험을 통하여 6000계열 알루미늄 합금의 극저온 기계적 성능과 파손 특성을 규명하고자 하였다. 선정된 2가지 알루미늄 합금(6061-T6, 6082-T6)에 대하여, 온도 및 준정적 변형률 속도에 따른 경향성과 의존성이 조사되었고, 재료의 파단면 형상이 거시적, 미시적으로 각각 분석되었다.
제안 방법
- 5, 30mm/min)에 따른 실험을 통해, 온도 및 준정적 변형률 속도에 대한 재료의 기계적 거동 특성을 조사하였다. 또한, 이 재료의 파단형상을 거시적, 미시적으로 관찰하여, 극저온 거동에 대한 분석 결과를 뒷받침하였다. 이 결과는 선박 및 해양플랜트 산업에서 가장 일반적으로 사용되는 AA5083과 비교되었으며, 이를 통해 극저온 재료로서 6000계열 알루미늄 합금의 사용적 합성을 판단하였다.
- 본 연구에서 선정한 알루미늄 합금의 극저온 거동을 조사하기 위해, 실험온도는 상온(293K)에서 천연가스의 액화온도 (110K)까지 고려되었고, 저온 영역을 짧은 구간으로 나누어 극저온 특성을 구체적으로 알아보았다. 또한, 일반적으로 준정적 상태에서 알루미늄 합금의 변형률 속도 의존성은 거의 없다고 알려져 있는데, 이와 같은 현상이 극저온에서 유지되는지를 알아보기 위하여, 두 가지 인장 속도(Tensile speed)에 대한 비교 연구가 수행되었다(Fan et al.
- 본 연구에서는 6000계열 알루미늄 합금이 저온에서 더욱 연성이 되는 현상을 열처리 합금의 특성을 통해 설명하고자 한다. 먼저, 비열처리 합금인 AA5083의 경우, 재료의 강도를 증가시키기 위해 가공 경화(Work hardening)의 방법이 사용된다.
- 또한, 이 재료의 파단형상을 거시적, 미시적으로 관찰하여, 극저온 거동에 대한 분석 결과를 뒷받침하였다. 이 결과는 선박 및 해양플랜트 산업에서 가장 일반적으로 사용되는 AA5083과 비교되었으며, 이를 통해 극저온 재료로서 6000계열 알루미늄 합금의 사용적 합성을 판단하였다.
- 즉, 재료가 소성구간에 접어들기 시작하면, 만능재료시험기의 인장 속도(Stroke의 기울기)는 재료 표점거리 사이의 변형률 속도(Displacement의 기울기)와 일치하므로, 분당 이동거리(5mm, 30mm)를 표점거리로 나누어 변형률 속도를 구할 수 있다. 이에 따라, 본 연구에서는 인장 속도를 조절하여 준정적 변형률 속도에 대한 의존성을 조사하였다(Park et al., 2011; Picu et al., 2005).
대상 데이터
- 6000계열 알루미늄 합금은 Mg과 Si를 주첨가 성분으로 한 열처리 합금으로, 강도와 내식성이 양호하며, 차량, 건축 등의 구조용재 및 관 구조물, 알루미늄 헬리데크 등에 널리 이용되고 있다. 대표적인 6000계열 알루미늄 합금으로는 6061, 6063, 6N01, 6082 등이 있으며, 본 연구에서는 조선 및 해양플랜트 산업에서 많이 사용되는 6000계열 알루미늄 합금에 대한 최근 연구 문헌들을 조사하여, 이를 토대로 Table 1과 같이 재료를 선정하였다(Mahabunphachai and Koc, 2010; Aval et al., 2011; Moreira et al., 2009). Table 1은 선별된 알루미늄 합금의 성분 분석표이고 기호 T는 안정화를 위해 열처리 한 것을, T6의 경우 용체화 처리 후에 인공 시효 경화한 것을 각각 의미한다.
- Table 1은 선별된 알루미늄 합금의 성분 분석표이고 기호 T는 안정화를 위해 열처리 한 것을, T6의 경우 용체화 처리 후에 인공 시효 경화한 것을 각각 의미한다. 본 연구에 사용된 6061-T6, 6082-T6 합금은 530 ℃에서 3시간 용체화 처리 후, 180 ℃에서 8시간 동안 시효경화 처리한 시험편이다.
이론/모형
- 극저온 환경을 유지하기 위해 −196 ℃의 질소가스를 지속적으로 챔버에 주입하여 챔버 내부 온도를 낮추고, 챔버 내부의 온도가 실험 온도에 도달하면, 같은 온도에서 시편을 30분간 예냉한 후에 인장실험을 수행하였다. 알루미늄 재료시편은 한국산업규격(KS B0801 10)에 따라 제작하였고, 재료의 변위를 정확하게 측정하기 위하여 극저온 신율계가 시편의 표점거리 (50mm)에 맞추어 장착되었다.
성능/효과
- (1) 온도가 감소함에 따라 6000계열 알루미늄 합금의 항복응력 및 극한응력이 증가하였으나, 재료의 연신율은 온도에 따른 의존성을 찾을 수 없었다. 즉, 6000계열 알루미늄 합금의 강도는 온도에 매우 의존적임을 확인하였다.
- (2) 6000계열 알루미늄 합금의 파단형상은 컵-원뿔(AA6061), 전단(AA6082) 형상으로 대표적인 연성파괴가 나타남을 확인하였다. 하지만, AA6082의 경우, 온도가 감소함에 따라 재료의 파단형상이 완전한 전단 파단에서 컵-원뿔 파단으로 변화하며, 저온에서 재료가 더욱 연성이 되는 경향을 보였다.
- (3) 6000계열 알루미늄 합금은 저온에서 인성계수가 증가하며, 큰 인성계수는 재료가 힘을 받을 때 더 많은 에너지를 흡수하여 재료의 파단을 늦춰줄 수 있다. 하지만, 인성계수의 절대적인 수치는 재료의 파단형상, SEM 사진 내의 딤플크기나 딤플수와 직접적인 관련성이 없으며, 각 재료별로 다르게 적용되어야 한다.
- 4는 각각 상온과 극저온에서 준정적 인장 속도에 따른 알루미늄 합금의 공칭응력-변형률 곡선과 그 기계적 특성을 나타낸 그래프이다. 두 가지 인장 속도에 대하여 각각 상온(293K)과 극저온(110K)에서 각 알루미늄 합금의 거동을 살펴보면, AA6061과 AA6082의 응력 및 연신율은 인장 속도에 관계없이 대체로 일정함을 확인할 수 있다. 이는 곧 재료의 소성구간에서 두 가지 알루미늄 합금의 기계적 물성치는 준정적 변형률 속도 변화에 관계 없이 유사한 값을 가진다는 것을 의미한다.
- 하지만, AA6082의 경우, 온도가 감소함에 따라 재료의 파단형상이 완전한 전단 파단에서 컵-원뿔 파단으로 변화하며, 저온에서 재료가 더욱 연성이 되는 경향을 보였다. 또한, 두 알루미늄 합금의 SEM 사진을 통해 저온에서 (재료가 연성임을 의미하는) 크기가 작고 더 많은 수의 딤플이 관찰됨을 확인하였다. 즉, SEM 사진 분석을 통한 미시적인 관찰은 거시적인 파단형상의 변화를 뒷받침할 수 있는 근거가 되었다.
- 한편, AA5083의 경우, 온도가 감소함에 따라 연신율이 크게 증가하는 반면, 6000 계열 알루미늄 합금의 연신율은 대체로 일정하게 유지되며 온도에 의해 큰 영향을 받지 않는 기계적 물성치임을 검증하였다. 또한, 이 결과를 통해, 6000계열 알루미늄 합금은 저온 환경에서 강도가 증가하고 연신율은 유지되며, AA5083과 비교하여 우수한 기계적 특성을 가짐을 확인하였다. 여기서, AA5083과 관련된 기계적 물성치는 Park의 실험 결과값을 인용하였다(Park et al.
- 본 연구에서는 극저온 인장실험을 통하여 6000계열 알루미늄 합금의 극저온 기계적 성능과 파손 특성을 규명하고자 하였다. 선정된 2가지 알루미늄 합금(6061-T6, 6082-T6)에 대하여, 온도 및 준정적 변형률 속도에 따른 경향성과 의존성이 조사되었고, 재료의 파단면 형상이 거시적, 미시적으로 각각 분석되었다. 본 연구의 결과는 다음과 같이 요약된다.
- (1) 온도가 감소함에 따라 6000계열 알루미늄 합금의 항복응력 및 극한응력이 증가하였으나, 재료의 연신율은 온도에 따른 의존성을 찾을 수 없었다. 즉, 6000계열 알루미늄 합금의 강도는 온도에 매우 의존적임을 확인하였다. 한편, 두 가지 인장 속도에 따른 재료 물성치의 비교를 통해 6000계열 알루미늄 합금은 변형률 속도에 둔감한 재료임을 확인하였다.
- 또한, 두 알루미늄 합금의 SEM 사진을 통해 저온에서 (재료가 연성임을 의미하는) 크기가 작고 더 많은 수의 딤플이 관찰됨을 확인하였다. 즉, SEM 사진 분석을 통한 미시적인 관찰은 거시적인 파단형상의 변화를 뒷받침할 수 있는 근거가 되었다.
- (2) 6000계열 알루미늄 합금의 파단형상은 컵-원뿔(AA6061), 전단(AA6082) 형상으로 대표적인 연성파괴가 나타남을 확인하였다. 하지만, AA6082의 경우, 온도가 감소함에 따라 재료의 파단형상이 완전한 전단 파단에서 컵-원뿔 파단으로 변화하며, 저온에서 재료가 더욱 연성이 되는 경향을 보였다. 또한, 두 알루미늄 합금의 SEM 사진을 통해 저온에서 (재료가 연성임을 의미하는) 크기가 작고 더 많은 수의 딤플이 관찰됨을 확인하였다.
- 즉, 6000계열 알루미늄 합금의 강도는 온도에 매우 의존적임을 확인하였다. 한편, 두 가지 인장 속도에 따른 재료 물성치의 비교를 통해 6000계열 알루미늄 합금은 변형률 속도에 둔감한 재료임을 확인하였다.
후속연구
- (4) 6000계열 알루미늄 합금은 저온에서 강도가 우수하고 연신율이 일정하여, 저온재료로 사용되기에 적합한 기계적 특성을 가지고 있으며, 본 연구의 결과는 이 금속을 저온재료로 사용함에 있어 정밀하고 안전한 구조적 설계를 위한 정량적인 지표로 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
- (3) 6000계열 알루미늄 합금은 저온에서 인성계수가 증가하며, 큰 인성계수는 재료가 힘을 받을 때 더 많은 에너지를 흡수하여 재료의 파단을 늦춰줄 수 있다. 하지만, 인성계수의 절대적인 수치는 재료의 파단형상, SEM 사진 내의 딤플크기나 딤플수와 직접적인 관련성이 없으며, 각 재료별로 다르게 적용되어야 한다.
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