선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 각각의 미세조직을 갖는 Ti-6Al-4V 합금소재가 고속으로 다른 물체에 충돌하는 고속충돌조건에서 변형 및 파괴 거동이 동적 압축 실험결과와 어떠한 연관성을 갖는가를 파악하기 위해 고속충돌 실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 Ti-6Al-4V 합금의 정적/동적 변형 특성에 대한 연구를 수행하였다. 열처리를 통해 4가지형태의 미세조직을 형성하고, 압축 실험을 통해 준정적 변형 특성에 대한 실험과 압축 홉킨슨 봉을 이용한 동적 변형 특성에 대한 실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 대표적인 알파-베타 티타늄 합금인Ti-6Al-4V 합금의 미세조직 특성이 정적/동적변형 특성에 미치는 영향을 정량적으로 연구/분석하고자 하였다. 이를 위해 열처리 공정을 거쳐 알파-베타 티타늄합금의 주요 구성상인 등축정 알파상과 알파+베타 층상조직의 비율을 정량적으로 제어하였다.
가설 설정
- 본 연구의 해석 범위는 티타늄 합금소재로 만든 비행체가 강체벽에 300 m/s 이하의 아음속으로 충돌하는 경우, 관통 및 파단이 발생하기 직전까지 비행체선단에서의 동적 변형 형상을 모사하는 것으로 설정하였다. 따라서 재료의 파손을 일으키는 주원인으로 알려진 열연화 효과는 미미한 것으로 가정하여 본 연구에서는 제외하였다. 향후, 시편의 온도 변화가 가능한 홉킨슨 봉 시험장치의 보강을 통해 얻어진 추가실험 결과들을 분석함으로서 티타늄 소재의 파단 및 관통 현상을 더욱 정교하게 모사할 수 있는 연구가추가 진행되어야 할 것으로 판단된다.
제안 방법
- 압축실험은 직경 10 mm, 높이 10 mm의 원주형 시편에 대해 Instron 8502 유압식 실험장치를 이용하여 저변형률 속도(2×10-3 /s)에서 실시하였다. 1 mm/min의 크로스헤드(crosshead) 속도로 파단이 발생 할 때까지 압축하여, 진응력(True Stress) -진변형률(True Strain)과 파단 변형률을 측정하였다. 압축실험에서 대부분의 시편은 변위가 증가함에 따라 하중이 지속 증가하다가 최고값에 도달한 직후 파단이 발생하면서 응력이 급격히 감소하였다.
- 게이지 내의 미세한 저항 값의 변화는 Wheastonebridge회로에 의해 전압의 변화로 나타나며 디지털 오실로스코프(Nicolet 410, 10megasample/sec)로 측정하였다. 정확한 데이터의 확보를 위해 1개의 실험조건에 대해서 최소 3~5회 이상 동일조건하에서 실험을 수행하여 평균값을 취하였다.
- 9와 같다. 고속충돌 실험을 모사하기 위하여 실험과 동일한 형상의 비행체를 모델링 하였으며 표적의 변형 발생이 없도록 표적은 강체(Rigid Body)로 설정하였다. 비행체의 초기지름(Initial Diameter, D0)과 초기길이(Initial Length,L0)는 각각 10 mm, 50 mm이다.
- 동적변형특성에 대한 미세조직의 영향을 분석하기 위하여 압축 홉킨슨 봉 실험을 실시하였다. 시편의 형상은 직경 5.
- 열처리를 통해 4가지형태의 미세조직을 형성하고, 압축 실험을 통해 준정적 변형 특성에 대한 실험과 압축 홉킨슨 봉을 이용한 동적 변형 특성에 대한 실험을 수행하였다. 또한 고속충돌 실험을 수행하여 동적 변형 특성과 실제 고속충돌 조건에서 발생하는 변형 및 파괴 거동과의 연관성을 분석하였다. 이와 함께 압축 홉킨슨 봉 실험을 통해 얻어진 미세조직 특성에 따른 시편별 진응력-진변형률 선도를 이용하여 Johnson-Cook 구성 방정식의상수를 결정하고 고속충돌 실험 결과와 해석 결과를 비교하여 Johnson-Cook 방정식의 상수에 대한 타당성을 검증하였다.
- 미세조직에 따른 Ti-6Al-4V 합금의 기계적 특성과 동적 변형거동 및 고속 충돌 특성을 분석하기 위하여 열처리 조건을 다르게 한 각각의 시편을 준비하고 준정적 실험, 압축 홉킨슨 봉 실험, 고속 충돌실험을 수행하였다.
- 미세조직이 다른 4가지 Type의 Ti-6Al-4V 합금으로 제작된 비행체를 모델링하고 속도를 변화시키며 강체에 충돌시켜 비행체의 변형형상을 분석하였다. Fig.
- 비행체의 변형이 일어나는 최고 충돌속도에서의 비행체에 대하여 길이방향 및 반경방향의 변형량을 측정하였다. 고속충돌 실험 전/후의 비행체의 형상과 결과를 Fig.
- 수치해석을 수행하여 홉킨슨 봉 충격실험을 통해 결정한 Johnson-Cook 상수들의 타당성을 검증하였다. 해석은 고속충돌 현상을 적절히 모사하기 위하여 상용외연적(Explicit) 유한요소 코드인 LS-Dyna를 사용하였으며 해석모델은 고속충돌 실험을 모사하여 Ti-6Al-4V합금으로 제작된 비행체를 모델링하고 비행속도를 변화시키며 강체에 충돌시켜 비행체의 최종 변형 형상을 구하였다.
- 시편의 변형률 속도는 입력봉에 충돌하는 충격봉의 속도를 변화시킴으로써 조절하였다. 입/출력봉에서의 탄성 변형량을 측정하기 위해 스트레인 게이지(모델명: Micro measurement EDDY-031CF-350)를 입력봉과출력봉의 정 중앙에 각각 1쌍씩 180° 간격으로 부착하였다.
- 압축실험은 직경 10 mm, 높이 10 mm의 원주형 시편에 대해 Instron 8502 유압식 실험장치를 이용하여 저변형률 속도(2×10-3 /s)에서 실시하였다.
- 열처리된 4종의 소재에 대해 기계적 특성을 분석하기 위하여 상온 압축실험을 수행하였다. 압축실험은 직경 10 mm, 높이 10 mm의 원주형 시편에 대해 Instron 8502 유압식 실험장치를 이용하여 저변형률 속도(2×10-3 /s)에서 실시하였다.
- 본 연구에서는 Ti-6Al-4V 합금의 정적/동적 변형 특성에 대한 연구를 수행하였다. 열처리를 통해 4가지형태의 미세조직을 형성하고, 압축 실험을 통해 준정적 변형 특성에 대한 실험과 압축 홉킨슨 봉을 이용한 동적 변형 특성에 대한 실험을 수행하였다. 또한 고속충돌 실험을 수행하여 동적 변형 특성과 실제 고속충돌 조건에서 발생하는 변형 및 파괴 거동과의 연관성을 분석하였다.
- 먼저, 불균일한 초기조직을 균일한 크기의 알파 결정립으로 변화시키기 위한 재결정 열처리 공정(Step 1)을 통해 등축정 조직이 얻어진다. 이 조직을 재열처리(Step 2)하여 열처리 온도에 따라 혼합조직 또는 층상조직으로 변화시켰다. 미세조직이 변화된 소재는 최종적으로 균질화 열처리(Step 3)를 실시하였고, Step3 열처리는 미세조직에는 영향을 주지 않는다.
- 이를 위해 열처리 공정을 거쳐 알파-베타 티타늄합금의 주요 구성상인 등축정 알파상과 알파+베타 층상조직의 비율을 정량적으로 제어하였다. 이들 소재에 대해 준정적, 동적 변형특성을 실험/분석하고 변형거동에서 미세조직의 영향을 고려하여 Johnson-Cook 이론에 기초한 재료의 구성방정식을 결정하였으며, 고속충돌문제에 관한 고속 충돌 실험 및 수치해석을 통해 검증하였다.
- 본 연구에서는 대표적인 알파-베타 티타늄 합금인Ti-6Al-4V 합금의 미세조직 특성이 정적/동적변형 특성에 미치는 영향을 정량적으로 연구/분석하고자 하였다. 이를 위해 열처리 공정을 거쳐 알파-베타 티타늄합금의 주요 구성상인 등축정 알파상과 알파+베타 층상조직의 비율을 정량적으로 제어하였다. 이들 소재에 대해 준정적, 동적 변형특성을 실험/분석하고 변형거동에서 미세조직의 영향을 고려하여 Johnson-Cook 이론에 기초한 재료의 구성방정식을 결정하였으며, 고속충돌문제에 관한 고속 충돌 실험 및 수치해석을 통해 검증하였다.
- 또한 고속충돌 실험을 수행하여 동적 변형 특성과 실제 고속충돌 조건에서 발생하는 변형 및 파괴 거동과의 연관성을 분석하였다. 이와 함께 압축 홉킨슨 봉 실험을 통해 얻어진 미세조직 특성에 따른 시편별 진응력-진변형률 선도를 이용하여 Johnson-Cook 구성 방정식의상수를 결정하고 고속충돌 실험 결과와 해석 결과를 비교하여 Johnson-Cook 방정식의 상수에 대한 타당성을 검증하였다.
- 입/출력봉에서의 탄성 변형량을 측정하기 위해 스트레인 게이지(모델명: Micro measurement EDDY-031CF-350)를 입력봉과출력봉의 정 중앙에 각각 1쌍씩 180° 간격으로 부착하였다.
- 해석모델은 1/4모델링하여 대칭면에 대칭경계조건(Symmetric Boundary Condition)을 적용하였고, 강체의 자유도는 모두 구속하였다. 충돌속도는 비행체에 100m/s에서부터 300 m/s까지 10 m/s간격으로 초기속도를 설정하여 해석을 수행하였다.
- 실험결과 표적은 변형이 발생하지 않았으며, 비행체만이 변형되는 것으로 나타났다. 표적에 고속충돌 후 비행체를 회수하여 변형도 및 균열발생, 파괴 여부를 조사하였고, 충돌에 의해 비행체가 변형된 경우 충돌속도를 증가시키며, 반복 실험을 수행하여, 파괴가 일어나기 시작하는 임계속도를 측정하였다.
- 해석에 사용된 요소는 단일 적분점을 갖는 8절점 솔리드 요소로서 요소 밀도에 대한 해석 결과의 유효성을 파악하기 위하여 비행체의 요소수를 변화해 가면서 최종 변형형상의 수렴성을 분석하였다. Fig.
- 수치해석을 수행하여 홉킨슨 봉 충격실험을 통해 결정한 Johnson-Cook 상수들의 타당성을 검증하였다. 해석은 고속충돌 현상을 적절히 모사하기 위하여 상용외연적(Explicit) 유한요소 코드인 LS-Dyna를 사용하였으며 해석모델은 고속충돌 실험을 모사하여 Ti-6Al-4V합금으로 제작된 비행체를 모델링하고 비행속도를 변화시키며 강체에 충돌시켜 비행체의 최종 변형 형상을 구하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 Ti-6Al-4V 합금의 화학조성은 Table 1과 같고, 이 소재를 Table 2와 같이 3단계 열처리를 실시하였다. 먼저, 불균일한 초기조직을 균일한 크기의 알파 결정립으로 변화시키기 위한 재결정 열처리 공정(Step 1)을 통해 등축정 조직이 얻어진다.
- 본 연구의 해석 범위는 티타늄 합금소재로 만든 비행체가 강체벽에 300 m/s 이하의 아음속으로 충돌하는 경우, 관통 및 파단이 발생하기 직전까지 비행체선단에서의 동적 변형 형상을 모사하는 것으로 설정하였다. 따라서 재료의 파손을 일으키는 주원인으로 알려진 열연화 효과는 미미한 것으로 가정하여 본 연구에서는 제외하였다.
- 동적변형특성에 대한 미세조직의 영향을 분석하기 위하여 압축 홉킨슨 봉 실험을 실시하였다. 시편의 형상은 직경 5.0 mm, 높이 5.0 mm로서 길이 대 직경 비(L/D)가 1인 원주형이다. 실험장치는 Fig.
- 0 mm로서 길이 대 직경 비(L/D)가 1인 원주형이다. 실험장치는 Fig. 3과 같고, 입력봉과 출력봉은 길이 1,500 mm, 직경 14.7 mm의 마레이징 강(VASCOMAX 350, HRc = 58)을 사용하였다.
- 이를 위해 열처리된 소재로부터 직경 10 mm, 길이 50 mm의 원주형 비행체(Projectile)를 가공하였다. Fig.
데이터처리
- 각 시편 Type별 충돌속도에 대한 영향을 분석하기 위하여 Fig. 13과 같이 최종 변형 직경과 변형 길이를 구하고 실험 결과와 비교하였다. 여기에서 D0, L0는 초기 직경 및 길이를 나타내고 Df, Lf는 최종 변형된 직경과 길이를 나타낸다.
- 게이지 내의 미세한 저항 값의 변화는 Wheastonebridge회로에 의해 전압의 변화로 나타나며 디지털 오실로스코프(Nicolet 410, 10megasample/sec)로 측정하였다. 정확한 데이터의 확보를 위해 1개의 실험조건에 대해서 최소 3~5회 이상 동일조건하에서 실험을 수행하여 평균값을 취하였다.
이론/모형
- Ti-6Al-4V 합금의 동적 변형 실험을 통하여 획득된 결과를 이용하여 Johnson-Cook 구성방정식(ConstitutiveEquation)의 파라메타를 구하였다. Johnson-Cook 구성방정식은 변형률 속도, 가공경화, 열연화 영향 등을 모두포함하고 있으며 여러 재료에 대해 다양한 연구가 진행되었다.
- 고속충돌해석에서 물체의 거동은 강체 회전이 존재하기 때문에 재료의 거동을 적절히 모사하기 위해서는 객관적 응력속도(Objective Stress Rate)와 변형률 속도(Strain Rate)를 이용한다. 본 연구에서는 식 (3)과 같은 Jaumann 응력속도를 이용하였다[16].
- 비행체의 구성방정식은 식 (1)에 보인 Johnson-Cook방정식을 사용하였으며, 각각의 시편에 대한 상수들은 홉킨슨 봉 실험에서 구한 Table 4에 나타난 값들을 적용하였다[16].
-
3.2 해석조건
해석모델은 1/4모델링하여 대칭면에 대칭경계조건(Symmetric Boundary Condition)을 적용하였고, 강체의 자유도는 모두 구속하였다. 충돌속도는 비행체에 100m/s에서부터 300 m/s까지 10 m/s간격으로 초기속도를 설정하여 해석을 수행하였다.
성능/효과
- Df /D0는 150 m/s 이하의 낮은 충돌속도 범위에서는 모든 Type에서 유사하나, 충돌속도가 증가 할수록 변형량이 커지며, Type A의 변형량이 가장 작은 것으로 분석되었다. 한편 길이방향 변형량인 Lf/L0는 미세조직의 차이에도 불구하고 유사한 것으로 분석되었으며 이는 실험 결과와도 비교적 일치하는 경향을 보여주고 있다.
- 따라서 유동응력이 최고값(σMax)을 나타낼 때의 변형률(εu)은 미세균열이나 단열 전단밴드와 같이 파단의 원인이 되는 불안정한 유동흐름이 발생하는 변형률로 볼 수 있는데, 각 미세조직 및 변형률 속도에 따라 변화하는 것으로 나타났다.
- 또한 압축 홉킨슨 봉 실험 결과를 이용하여 구해진 Johnson-Cook 구성방정식 상수를 고속충돌 실험 결과와 수치해석의 비교를 통해 검증한 결과 해석과 실험결과는 평균 오차율 Erroravg이 -1.5 ~ +4.7 %로서, 결정된 구성방정식의 상수는 고속충돌 거동을 비교적 정확하게 모사하였다.
- 4와 같다. 모든 실험에서 유동응력은 변형률이 증가함에 따라 증가하다가 최고값에 도달한 후 다시 감소하였다. 준정적 압축실험에서 유동응력이 최고치를 나타내는 이유는 주전단면 방향으로 결정립계에서 미세균열이 발생하기 때문으로, 이후 변형률이 계속 증가하면 이 균열들이 성장하고 인접한 균열들과 결합하여 최종적으로 시편이 파단된다.
- 변형률 속도가 2.7×103 /s에서 6×103 /s으로 증가함에 따라 유동응력은 선형관계로 증가하며, 이런 경향은 모든 미세조직에서 동일하게 관찰되었다
- 6의 가스건(Gas gun)을 이용하여 비행체를 마레이징 표적(앤빌)에 150~300 m/s의 속도로 충돌시키는 실험을 반복 실시하였다. 실험결과 표적은 변형이 발생하지 않았으며, 비행체만이 변형되는 것으로 나타났다. 표적에 고속충돌 후 비행체를 회수하여 변형도 및 균열발생, 파괴 여부를 조사하였고, 충돌에 의해 비행체가 변형된 경우 충돌속도를 증가시키며, 반복 실험을 수행하여, 파괴가 일어나기 시작하는 임계속도를 측정하였다.
- 정적 압축시험 결과, 혼합조직이 등축정조직에 비해 높은 유동응력과 파단변형률을 나타낸 반면, 변형률속도가 증가함에 따라 미세조직별로 유동응력과 파단변형률의 변화 양상이 달라지며 동적물성은 등축정 조직이 혼합조직에 비해 우수한 것으로 나타났다.
후속연구
- 따라서 재료의 파손을 일으키는 주원인으로 알려진 열연화 효과는 미미한 것으로 가정하여 본 연구에서는 제외하였다. 향후, 시편의 온도 변화가 가능한 홉킨슨 봉 시험장치의 보강을 통해 얻어진 추가실험 결과들을 분석함으로서 티타늄 소재의 파단 및 관통 현상을 더욱 정교하게 모사할 수 있는 연구가추가 진행되어야 할 것으로 판단된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.