[논문]인장형 홉킨슨 바 장치를 이용한 알루미늄 단결정 및 멀티결정재의 동적 실험

하상렬; 장진희; 윤효준; 김기태

doi:10.3795/ksme-a.2016.40.1.023

인장형 홉킨슨 바 장치를 이용한 알루미늄 단결정 및 멀티결정재의 동적 실험
High-Strain Rate Tensile Behavior of Pure Aluminum Single and Multi-Crystalline Materials with a Tensile Split Hopkinson Bar 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.40 no.1, 2016년, pp.23 - 31

하상렬 (삼성전기) , 장진희 (포항공과대학교 기계공학과) , 윤효준 (포항공과대학교 기계공학과) , 김기태 (포항공과대학교 기계공학과)

초록
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본 연구에서는 연성 금속재료의 판상형 인장 시편에 대한 동적 물성을 측정하기 위한 인장형 홉킨슨 바(TSHB, Tensile split Hopkinson bar)의 수정 방법에 대해 논의하고, 이를 이용하여 고순도 알루미늄 단결정 및 멀티결정재의 동적 물성을 측정하였다. 시편의 초기 미세조직 및 결정학적 방위는 전자후방 산란회절(EBSD, Electron backscattered diffraction) 분석을 통하여 측정하였으며, 동적 변형 후 파단 형상을 광학 현미경을 통하여 확인하였다. 고속인장 변형 중 시편 내부에 발생하는 변형 분포는 디지털 이미지 상관(DIC, Digital image correlation) 기법을 이용하여 측정하였다. 이를 통해 동적 변형 중 나타나는 알루미늄의 거시적인 소성 변형과 결정학적 방위 및 미세 조직과의 상관관계에 대해 논의하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we modified the conventional tensile split Hopkinson bar(TSHB) apparatus typically used for the high strength steel to evaluate the tensile deformation behavior of soft metallic sheet materials under high strain rates. Stress-strain curves of high purity single and multi-crystalline materials were obtained using this experimental procedure. Grain morphology and initial crystallographic orientation were characterized by EBSD(Electron Backscattered Diffraction) method measured in a FE-SEM(Field emission-scanning electron microscopy). The fractured surfaces were observed by using optical microscopy. The relationship between plastic deformation of aluminum crystalline materials under high-strain rates and the initial microstructure and the crystallographic orientations has been addressed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

봉에 설치된 2 개의 게이지와 휘트스톤브릿지에 설치된 2 개의 게이지의 전압차이는 대역폭(Bandwidth)이 100 MHz 인 오실로스코프로 수집하였다. Kulite 사의 반도체타입 스트레인게이지는 9~12V 의 입력 전압이 요구되며 본 실험에서는 외부 노이즈의 영향을 최소화하기 위하여 독립적인 12V 의 정류계를 이용하였다.
따라서 본 연구에서는 순금속 판재 인장 시편에 대한 동적 물성을 확보하기 위하여 기존의 고강도 강의 고속 인장 물성 측정을 위해 개발된 인장형 홉킨슨 바(Tensile Split Hopkinson Bar, TSHB)의 수정방법에 대해 논의하였고, 이를 이용하여 고순도 알루미늄 단결정 및 멀티결정재의 동적 물성을 측정하였다. 멀티결정재(Multi-crystalline material)는 시편 내부에 적은 수의 조대한 주상정 형상의 결정립(Large columnar grain)을 가진 재료로서 변형전후의 개별 결정립의 미세 조직 변화 관찰에 용이한 장점이 있다.
동적 인장 시험 후 시편의 파단 형상은 광학 현미경으로 관찰하여 확인하였으며, 변형 전후의 결정학적 방위의 변화는 전자후 방산란회절(Electron backscattered diffraction, EBSD)분석을 이용하여 측정하였다. 이를 통해 동적 변형 중 나타나는 알루미늄의 거시적인 소성 변형과 결정학적 방위 및 미세조직과의 상관관계에 대하여 논의하였다.

제안 방법

3 모델을 사용하여 인장시편 게이지부영역의 20 x 10 mm² 의 관심영역(Region of interest)을 256 x 80의 해상도로 90,000 fps 의 속도로 측정하였다. DIC 기법에 의한 결과 처리를 용이하게 하기 위하여 Fig. 4 에 나타난 것과 같이 시험편 표면에 스페클 패턴(Speckle pattern)을 형성 하였다. 실험에 사용한 순 알루미늄의 경우 표면이 백색이기 때문에 검은색 스프레이를 약 30 cm 거리에서 분사하여 불규칙하 흑점 패턴을 형성하였다.
비접촉식 변위측정을 위한 광학계는 고속 CCD 카메라와 조명장치로 구성되어 있다. 고속 카메라는 Nikon 사의 Phantom v7.3 모델을 사용하여 인장시편 게이지부영역의 20 x 10 mm² 의 관심영역(Region of interest)을 256 x 80의 해상도로 90,000 fps 의 속도로 측정하였다. DIC 기법에 의한 결과 처리를 용이하게 하기 위하여 Fig.
EBSD 측정을 위해 기계적 및 전해 연마법을 수행하였다. 다결정 시편의 경우 EBSD 측정 시 대면적 측정에 의한 이미지 왜곡현상을 보정하기 위하여 에칭 후 나타나는 결정립계를 광학 현미경으로부터 확인하였다. 에칭액은Keller 용액(염산 45 %, 질산 15 %, 불산 15 %, 증류수 25 %)을 사용하였다.
실험에 사용한 순 알루미늄의 경우 표면이 백색이기 때문에 검은색 스프레이를 약 30 cm 거리에서 분사하여 불규칙하 흑점 패턴을 형성하였다. 동적 변형 동안 흑점 패턴이 시편 표면에서 분리되는 것을 방지하기 위하여 경화제를 추가하여 흑색 스프레이와 혼합하였다. 변형률 분석은 GOM 사의 ARAMIS 소프트웨어⁽¹⁴⁾를 사용하였다.
멀티결정재(Multi-crystalline material)는 시편 내부에 적은 수의 조대한 주상정 형상의 결정립(Large columnar grain)을 가진 재료로서 변형전후의 개별 결정립의 미세 조직 변화 관찰에 용이한 장점이 있다. 동적 인장 시험 후 시편의 파단 형상은 광학 현미경으로 관찰하여 확인하였으며, 변형 전후의 결정학적 방위의 변화는 전자후 방산란회절(Electron backscattered diffraction, EBSD)분석을 이용하여 측정하였다. 이를 통해 동적 변형 중 나타나는 알루미늄의 거시적인 소성 변형과 결정학적 방위 및 미세조직과의 상관관계에 대하여 논의하였다.
0%) 스트레인게이지를 사용하였으나, 강도가 약한 고순도 알루미늄 실험시 출력파가 검출되지 않았다. 따라서, 미약한 출력파의 검출을 위하여 핀형(Pin type) 대비 100~150 배의 이득 계수(Gain factor)를 갖는 반도체 형의 스트레인게이지를 사용하였다(Table 1). 반도체 타입 스트레인게이지를 잘 부착하기 위한 절차는 다음과 같다.
변형 전 단결정 시편의 EBSD 측정은 1 µm 의 스텝 크기(Step size), 160 fps (Frame per second)의 속도로 1 mm2 면적을 측정하였고, 다결정 시편은 30 µm 의 스텝 크기, 160 fps로 전체 시편 영역을 총 20 번을 측정한 후 이미지를 조합하였다.
변형 후에는 소성 변형에 의한 표면 조도 형성(Surface roughness formation) 등으로 측정이 어렵기 때문에 단결정과 다결정 시편 모두 20 µm 의 스텝 크기, 70 fps 로 측정하였다.
본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 Fig. 3 에 나타난 것과 같이 그립부에 넥(Neck)부분 형상을 가공하여 인장 시편을 고정하였다.이 경우 볼트로 고정한 것과 달리 그립부의 변형은 최소화되고, 인장 시편의 게이지부에 변형이 집중되는 것을 관찰할 수 있다.
시편의 결정학적 방위 측정은 전계방사형 주사현미경(Tescan, Mira II LMH)에서 EBSD 를 이용하여 측정하였다. EBSD 측정을 위해 기계적 및 전해 연마법을 수행하였다.
이때, 입력봉과 출력봉은 탄성 변형 하에 있으며 각각 부착된 스트레인게이지를 통해 입사변형률(εI), 투과변형률(εT) 그리고 반사변형률(εR)을 측정한다.
이렇게 부착된 스트레인게이지로부터 탄성파의 신호를 얻기 위해서는 게이지에 전원을 공급해주고 오실로스코프로 신호를 전달하는 휘트스톤브릿지를 구현하였다. 봉에 설치된 2 개의 게이지와 휘트스톤브릿지에 설치된 2 개의 게이지의 전압차이는 대역폭(Bandwidth)이 100 MHz 인 오실로스코프로 수집하였다.
이 방법은 소성 변형 후 열처리 시 발생하는 재결정(Recrystallization) 현상을 응용한 것으로 빠른 시간내에 원하는 크기의 결정립 크기를 가진 시편을 쉽게 얻을 수 있는 장점이 있다. 제작된 단결정 및 멀티결정재는 와이어 방전가공(EDM, electric discharge machining)과 드릴링으로 게이지부의 길이와 폭이 각각 7 mm 와 4 mm 인 인장 시편으로 제작하였고, 가공 중 발생하는 잔류 응력을 제거하기 위하여 500 ℃에서 2 시간 동안 풀림 처리를 하였다.
초기 결정학적 방우가 다른 3 개의 단결정 시편과 1 개의 멀티결정 시편에 대한 고속 인장 시험을 수행하였다. Fig.
이 경우 볼트로 고정한 것과 달리 그립부의 변형은 최소화되고, 인장 시편의 게이지부에 변형이 집중되는 것을 관찰할 수 있다. 추가적으로 시편과 그립부 간에 발생할 수 있는 미끄러짐을 제거하기 위하여 내충격성 에폭시 접착제를 사용하여 시편과 그립부 사이를 고정하였다. Fig.
0 m 이다. 플랜지의 내경 및 외경은 각각 15.7 mm 와 28 mm 이며, 입력봉과 축이음(Coupling) 방식으로 체결하였다.

대상 데이터

본 실험에서 사용한 TSHB 장비는 기존에 고강도강의 고속 인장 시험시 봉에 발생하는 탄성 변형을 측정하기 위하여 금속 박막(Metal foil) 형태의 M&M 사의 ED-DY-031CF-350/LE (R=350Ω, Gage factor: 3.223.0%) 스트레인게이지를 사용하였으나, 강도가 약한 고순도 알루미늄 실험시 출력파가 검출되지 않았다.
본 연구에서 사용된 TSHB 장비의 충격자와 입력봉 그리고 출력봉의 소재는 마레이징강(Maraging steel)이며, 직경은 모두 19 mm 이며, 길이는 각각 0.4 m, 1.5 m, 2.0 m 이다. 플랜지의 내경 및 외경은 각각 15.
본 연구에서는 면심입방(fcc, face-centered-cubic)구조를 가진 소재의 동적 변형 거동을 결정립 수준에서 분석하기 위하여 순도 99.999%의 알루미늄(Cu<0.2ppm, Fe:0.882 ppm, Mg: 1.23 ppm, Si: 0.847ppm)을 사용하여 단결정 및 조대한 결정립을 가진 멀티결정재 시편을 제작하였다.
이렇게 부착된 스트레인게이지로부터 탄성파의 신호를 얻기 위해서는 게이지에 전원을 공급해주고 오실로스코프로 신호를 전달하는 휘트스톤브릿지를 구현하였다. 봉에 설치된 2 개의 게이지와 휘트스톤브릿지에 설치된 2 개의 게이지의 전압차이는 대역폭(Bandwidth)이 100 MHz 인 오실로스코프로 수집하였다. Kulite 사의 반도체타입 스트레인게이지는 9~12V 의 입력 전압이 요구되며 본 실험에서는 외부 노이즈의 영향을 최소화하기 위하여 독립적인 12V 의 정류계를 이용하였다.
다결정 시편의 경우 EBSD 측정 시 대면적 측정에 의한 이미지 왜곡현상을 보정하기 위하여 에칭 후 나타나는 결정립계를 광학 현미경으로부터 확인하였다. 에칭액은Keller 용액(염산 45 %, 질산 15 %, 불산 15 %, 증류수 25 %)을 사용하였다. 변형 전 단결정 시편의 EBSD 측정은 1 µm 의 스텝 크기(Step size), 160 fps (Frame per second)의 속도로 1 mm² 면적을 측정하였고, 다결정 시편은 30 µm 의 스텝 크기, 160 fps로 전체 시편 영역을 총 20 번을 측정한 후 이미지를 조합하였다.
인장형 홉킨슨 바를 이용한 고속인장 실험시 0.3 MPa 의 공기압을 사용하였고 이때 인장 시편의 평균 변형률 속도는 약 3500 /s 이다. 단결정 No.

데이터처리

동적 변형 동안 흑점 패턴이 시편 표면에서 분리되는 것을 방지하기 위하여 경화제를 추가하여 흑색 스프레이와 혼합하였다. 변형률 분석은 GOM 사의 ARAMIS 소프트웨어⁽¹⁴⁾를 사용하였다. 이미지 상관 계산시의 단위 면의 크기(Facet size)와 면 단계(Facet step)은 수렴성에 따라 각각 8~12pixels 와 8~10 pixels 의 범위를 사용하였다.

이론/모형

시편의 결정학적 방위 측정은 전계방사형 주사현미경(Tescan, Mira II LMH)에서 EBSD 를 이용하여 측정하였다. EBSD 측정을 위해 기계적 및 전해 연마법을 수행하였다. 다결정 시편의 경우 EBSD 측정 시 대면적 측정에 의한 이미지 왜곡현상을 보정하기 위하여 에칭 후 나타나는 결정립계를 광학 현미경으로부터 확인하였다.
단결정 및 멀티결정은 변형률 풀림 방법(Strainannealed method)⁽¹²⁾을 이용하여 제작하였다. 이 방법은 소성 변형 후 열처리 시 발생하는 재결정(Recrystallization) 현상을 응용한 것으로 빠른 시간내에 원하는 크기의 결정립 크기를 가진 시편을 쉽게 얻을 수 있는 장점이 있다.
알루미늄 시편의 고속 인장 변형 중 시편 내부에 발생하는 변형 및 변형률 분포를 측정하기 위하여 디지털 이미지 상관 기법(Digital image correlation, DIC) 기법⁽¹³⁾을 사용하였다. DIC 방법은 변형 전과 변형 후의 디지털 이미지를 분석하여 시험편의 전체 영역에 발생하는 변위 및 변형률을 측정할 수 있고 이미지의 해상도에 따라 다양한 측정 영역에서 원하는 수준의 해상도를 가진 변형장을 얻을 수 있는 장점을 갖는다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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