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문제 정의
- 본 연구에서는 열간정수압 공정으로 제조된 니켈 기초 내열합금을 고압비틀림 공정을 통해 높은 변형량을 가한 뒤, 미세조직과 기계적 특성의 변화에 대해 분석하였다.
제안 방법
- 강소성 변형에 따른 기계적 특성 변화를 관찰하기 위하여, 경도시험과 인장시험을 실시하였다. 경도 시 험은 Fig.
- 고압비틀림 공정으로 제조된 시편의 미세조직을 관찰하기 위하여, 디스크 윗면과 수직한 방향으로 시편의 중심이 통과하게 절단하여, 단면을 관찰하였다. 고압비틀림 공정은 전단변형이 원주방향으로 발 생하기 때문에, 반지름 방향이나, 원주방향에서 미 세조직을 관찰하여야 한다.
- 미세조직 관찰을 위하여 단면을 거울면으로 연마한 후, 화학적 에칭을 한 뒤, 광학현미경과 주사전자현미경을 통하여 관찰하였다. 고압비틀림 공정은 회전 중심에서부터 멀어질수록 변형량이 커지기 때문에, 시편의 중심 부분(r=0 mm), 중간 부분(r=2.5 mm), 가장자리 부분(r=5 mm)으로 나누어 관찰하였다.
- 따라서, 본 연구에서는 열간정수압성형 공정을 통해 제조된 니켈 기 초내열합금을 고압비틀림 공정을 통해 높은 변형량을 가한 뒤, 기계적 특성 변화와 미세조직의 변화를 관찰하였다.
- 5mm가 되도록 하였고, 비교를 위해, 초 기시 편도 동일한 크기의 인장 시편을 만들어 시험을 실시하였다. 또한 인장 후 파면을 주사 전자현미경으 로 관찰하였다.
- 고압비틀림 공정은 전단변형이 원주방향으로 발 생하기 때문에, 반지름 방향이나, 원주방향에서 미 세조직을 관찰하여야 한다. 미세조직 관찰을 위하여 단면을 거울면으로 연마한 후, 화학적 에칭을 한 뒤, 광학현미경과 주사전자현미경을 통하여 관찰하였다. 고압비틀림 공정은 회전 중심에서부터 멀어질수록 변형량이 커지기 때문에, 시편의 중심 부분(r=0 mm), 중간 부분(r=2.
- 지름이 10mm 인 원형 시편에서 인장시편을 체취하기 위하여, dog-bone-type의 시편을 방전 가공을 통해 시편을 절단하였다. 이때 인장시 편의 gage부분의 중심이 r=2.5mm가 되도록 하였고, 비교를 위해, 초 기시 편도 동일한 크기의 인장 시편을 만들어 시험을 실시하였다. 또한 인장 후 파면을 주사 전자현미경으 로 관찰하였다.
- 지름 10mm, 두께 1.5mm를 가지는 디스크 시편에 약 6GPa의 압력을 가한 후 다이를 1회, 3회, 5회 회전시켜 시편에 변형을 가하였다(Fig. 2). 각각의 시 편의 경우 위의식 (1)에서와 같이 유효변형량을 계산해보면, 중심에서 5mm 떨어진 지점에서는 각각 18, 54, 90으로 나타났고, 2.
- 지름이 10mm 인 원형 시편에서 인장시편을 체취하기 위하여, dog-bone-type의 시편을 방전 가공을 통해 시편을 절단하였다. 이때 인장시 편의 gage부분의 중심이 r=2.
대상 데이터
- 이와 같은 공정을 통해 제조된 니켈기 초 내열합금 의 경우, 수마이크로미터 크기의 일차γ'상이 결정립계에 생성이 되고, 수백 나노미터 크기의 이차γ'상이 결정 립내에 존재하고, 수십 나노미터 크기의 삼차γ'상 이 결정립내에 존재하면서 우수한 고온변형 특성을 발휘하게 된다.본 실험에 사용한 소재는 초기 분말 의 형상이 뚜렷하게 나타나는 소재이다.
데이터처리
- 강소성 변형에 따른 기계적 특성 변화를 관찰하기 위하여, 경도시험과 인장시험을 실시하였다. 경도 시 험은 Fig. 6에서와 같이 절단면에 0.5mm 간격으로 3번씩 측정을 하여 평균값을 구하였다.
성능/효과
- 1회전 변형을 준 시 편의 경우는 시편의 중심부 분이 가장 낮고, 중간 부분부터 가장자리까지는 비슷하게 높은 경도값을 가지는 것을 알 수 있다. 5회 전 변형을 준 시 편의 경우는 시편의 중심 부분에서부터 가장자리까지 모두 유사한 경도값을 가지는 것을 알 수 있었다.
- 7에서 살펴보면, 고압비틀림 공정을 수행하지 않은 초기시편의 경우 항복강도 약 1200MPa에인장강도가 약 1650MPa이고, 약 20%의 연신률을 보였다.고압비틀림공정 1회, 3회, 5회 수행한 시편의 경우는 항복강도와 인장강도가 약 2150~2300MPa로 증가하지만, 연신률은 5% 이하로 감소하였다. 특히 변형량이 높아질수록, 연신률은 더욱 짧아지는 것을 알 수 있으며 5회전의 고압비틀림 공정을 수행한 시편의 경우는 소성변형률이 거의 0에 가깝게 나타났다.
- 본 연구에 사용된 시편의 경우에도, 기지의 가공경과가 충분히 발생하여 연신율의 감소가 발생하게 된다. 또한, 미세화된 γ'상의 분산으로 인하여 균열의 전파를 가속화시켜 시편의 파단이 빠르게 발생하는 것으로 판단된다. 특히, 5회 전 시편에서는 시편의 조기 파단으로 3회 전 시편보다 낮은 인장강도 값을 보인다.
- 5는 주사 전자현미경을 통한 강화상의 형태 변화를 분석한 것으로 음각으로 보이는 부분이 강화상이다. 변형량이 커질수록, 그리고 시편의 가장자리로 갈수록, 석출강화상(γ')이 압축/분쇄되어 기지상내에 미세하게 분산된 것을 확인할 수 있다.
- 강소성 공정으로 제조된 시편의 경우 결정립의 미 세화에 의한 강도의 향상을 기대할 수 있다. 본 연구에서 측정한 경도의 변화를 Fig. 6에서 살펴보면, 열간정수압성형 공정으로 제조된 니켈 기 초 내열합금 의 경우 약 460Hv를 나타냈는데 비해, 강소성 공정 후의 경도는 약 530~580Hv로 증가한 것을 알 수 있다. 1회전 변형을 준 시 편의 경우는 시편의 중심부 분이 가장 낮고, 중간 부분부터 가장자리까지는 비슷하게 높은 경도값을 가지는 것을 알 수 있다.
- 인장 시험 결과를 Fig. 7에서 살펴보면, 고압비틀림 공정을 수행하지 않은 초기시편의 경우 항복강도 약 1200MPa에인장강도가 약 1650MPa이고, 약 20%의 연신률을 보였다.고압비틀림공정 1회, 3회, 5회 수행한 시편의 경우는 항복강도와 인장강도가 약 2150~2300MPa로 증가하지만, 연신률은 5% 이하로 감소하였다.
- 초기 시편에 남아 있던 분말 형상은 변형이 진행됨에 따라 관찰되지 않았으며, 석출된 γ'상은 변형량이 증가할수록 분쇄되고, 기지 내에 고르게 분포되는 것을 관찰하였다.이러한 미세조직적 변화가 경도의 증가와 인장강도의 증가를 가져왔으며, 고르게 분산된 γ'상에 의하여 연신률의 감소가 발생하였을 것으로 예상된다.
- 고압비틀림공정 1회, 3회, 5회 수행한 시편의 경우는 항복강도와 인장강도가 약 2150~2300MPa로 증가하지만, 연신률은 5% 이하로 감소하였다. 특히 변형량이 높아질수록, 연신률은 더욱 짧아지는 것을 알 수 있으며 5회전의 고압비틀림 공정을 수행한 시편의 경우는 소성변형률이 거의 0에 가깝게 나타났다.
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