[논문]나노표면 영역에서의 ECAP 변형된 알루미늄합금의 기계적 물성변화 측정

안성빈; 김정석

doi:10.12656/jksht.2019.32.3.113

나노표면 영역에서의 ECAP 변형된 알루미늄합금의 기계적 물성변화 측정
Determination of Mechanical Properties of Equal Channel Angular Pressed Aluminum Alloys in Nano-surface Region 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.32 no.3, 2019년, pp.113 - 117

Abstract ▼ AI-Helper

The effects of severe plastic deformation and heat treatment on the mechanical properties of Al 5052 and 6005 alloys were investigated using the metallurgical technique and nano-indentation technique in nano-surface region. Equal channel angular pressing (ECAP) was used to apply severe plastic deformation to the aluminum alloys in order to obtain fine grain sized materials. The elastic modulus was measured and interpreted in relation to the metallurgical observation. The elastic modulus increased after ECAP process due to evolution of the fine grains. However, the elastic modulus decreased after heat treatment due to generation of coarsened precipitates on the grain boundaries.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Block diagram of TriboScope for nanomechanical test system.
표 Table 1. Chemical composition of aluminum alloys (wt.%)
그림 Fig. 2. Microstructure of the solution treated and ECAPed aluminum 5052 alloy.
그림 Fig. 3. Microstructure of the ECAPed aluminum 6005 alloy.
그림 Fig. 4. (a) Indentation load-displacement curves for solution and ECAPed Al 5052 alloy. (b) Typical AFM topograph of ECAPed Al 5052 corresponding to the indentation curve shown in (a).
그림 Fig. 5. Reduced elastic modulus of aluminum 5052 and 6005 alloy; (a) Al 5052 alloy and (b) Al 6005 alloy.

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 우수한 내식성, 성형가공성, 용접성 등으로 자동차 및 선박, 건축자재로 각광 받는 소재인 알루미늄 5052합금과 철도차량 차체 및 자동차의 경량화 재료로 기대되는 Al 6005합금에 ECAP을 도입하여 이들이 강소성변형을 받은 전 후 원자현미경의 나노 인덴테이션기술을 이용하여 나노표면에서의 탄성계수를 측정하여 강소성 변형이 탄성계수 변화에 미치는 영향에 대해 고찰하고자 하였다.

가설 설정

동일위상의 복조기에 입력 임피던스는 변환기의 출력임피던스보다도 상당히 크다. 따라서 픽업전극은 구동판들 간에 이떤위치에서 동일한 전위차를 나타내는 것으로 가정한다. 압입을 통한 표면에서의 탄성계수를 측정하기 위해서 다음과 같이 면적함수를 고려해야 한다.

제안 방법

EBSD를 통하여 용체화 처리후 결정립 크기를 분석한 결과 결정립 크기는 약 120 µm임을 확인하였다. ECAP 가공 이후 소재의 미세조직을 TEM을 이용해 관찰하였다. SS+ECAP재는 결정립 내부에 전위밀도가 높은 것을 확인 할 수 있고, 약 0.
시편은 과포화고용체 상태로 ECAP을 4pass 실시하였다(SS+ECAP). 과포화 고용체 상태에서 ECAP한 일부 소재에 대하여 175℃에서 8시간(SS+ECAP+PA) 그리고 100℃에서 25시간(SS+ECAP+AA)의 조건에서 각각 시효를 진행하였다.
시계방향으로 90°회전하며 가공하는 방법으로 1, 4 pass 가공 하였으며, 가공 전에 시편은 MoS2 윤활유로 코팅 하였다.
EBSD로 관찰한 Al 5052합금은 용체화처리 직후로 ECAP 가공을 하지 않은 상태의 미세조직 사진으로 평균 결정립 크기는 약 80 µm를 나타내었다. 용체화 처리 후 ECAP 가공하지 않은 재료의 전위구조는 TEM으로 관찰하였다. 사진에서와 같이 전위밀도는 매우 낮은 상태이고 개개의 전위루프를 관찰할 수 가있다.

성능/효과

EBSD를 통하여 용체화 처리후 결정립 크기를 분석한 결과 결정립 크기는 약 120 µm임을 확인하였다.
이로 인해 경도 및 인장강도 등기계적 성질의 향상을 얻을 수 있었다. 강소성 변형과 열처리가 재료의 탄성특성에 미치는 영향을 연구한 결과 ECAP공정으로 탄성계수가 증가하였고 열처리에 의해서 결정립계에 생성된 부정합의 조대한 석출물로 인해 기지내에 불순물원소가 고갈되어 탄성계수는 감소하였고 미세한 정합 석출물은 탄성계수를 증가시키는 결과를 보였다.
일반적으로 분순물의 정도에 차이는 있지만 알루미늄 5052합금은 영률이 약 70 GPa 정도이고 6005합금의 경우는 70-80 GPa 정도이다. 본 연구에서 인장시험을 통하여 측정한 영률은 벌크 알루미늄 5052와 6005합금에서 각각 59.6 GPa, 75.6 GPa을 나타내어 보고되어진 바와 매우 유사한 결과를 나타내었다. 하지만 인장결과를 통해 얻은 탄성계수는 ECAP나 열처리에 의한 미소한 변화를 볼 수가 없이 거의 일정한 값을 나타내었다.
이와는 다르게 나노압입시험으로 시편의 나노표면 영역에서 측정한 탄성계수는 ECAP 가공과 열처리에 따른 미소한 변화를 구별하는 것이 가능하였다. 알루미늄합금은 용체화 처리후 ECAP 가공을 함으로써 합금의 종류에 상관없이 모두 탄성계수가 증가하였다. 이는 강소성변형으로 인해 전위밀도가 증가하고 보이드가 증가하여 탄성특성의 저하요인으로 작용하지만 이미 TEM으로 관찰한 바와 같이 재료내부에 미소한 나노크기의 등축형의 결정립이 형성되므로 탄성특성을 향상이 나타난 것으로 판단된다(참고 Fig.
이는 석출물이 기지부에 정합의 관계를 유지하면서 균일하게 생성되어 탄성계수의 향상에 기여하는 것으로 나타났다. 이를 TEM으로 관찰한 결과 방향성을 갖는 정합의 미세한 석출물인 Mg₂Si가 기지부에 균일하게 생성되었음을 관찰할 수 있었다.
이와는 다르게 나노압입시험으로 시편의 나노표면 영역에서 측정한 탄성계수는 ECAP 가공과 열처리에 따른 미소한 변화를 구별하는 것이 가능하였다. 알루미늄합금은 용체화 처리후 ECAP 가공을 함으로써 합금의 종류에 상관없이 모두 탄성계수가 증가하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ECAP이란 무엇인가?	근래에 ECAP이라는 매우 효과적인 소성가공법이 개발되어 초미세 결정립 크기를 갖는 소재를 얻을 수 있는 가능성이 제시되었다[3]. ECAP은 동일한 단면적을 갖는 두 개의 채널을 가진 금형을 통해 소재를 정수압 상태에서 프레싱(pressing)하는 가공 방법으로, 두 채널이 만나는 교차 지점을 통과 시 소재에 심한 전단변형을 가하는 가공방법이다. 또한 ECAP은 계속적인 반복 변형으로 가공량이 증가하더라도 소재의 단면적 감소를 수반하지 않으므로 재료 내에 높은 변형에너지를 축적시킬 수 있어 결정립의 초미세화가 가능하다.
	알루미늄 5052합금과 6005합금에 대해 강소성 변형을 진행한 결과 어떠한 성능의 향상을 얻었는가?	6 µm의 미세 결정립화를 나타내었다. 이로 인해 경도 및 인장강도 등기계적 성질의 향상을 얻을 수 있었다. 강소성 변형과 열처리가 재료의 탄성특성에 미치는 영향을 연구한 결과 ECAP공정으로 탄성계수가 증가하였고 열처리에 의해서 결정립계에 생성된 부정합의 조대한 석출물로 인해 기지내에 불순물원소가 고갈되어 탄성계수는 감소하였고 미세한 정합 석출물은 탄성계수를 증가시키는 결과를 보였다.
	ECAP을 통한 결정립의 초미세화가 가능한 이유는 무엇인가?	ECAP은 동일한 단면적을 갖는 두 개의 채널을 가진 금형을 통해 소재를 정수압 상태에서 프레싱(pressing)하는 가공 방법으로, 두 채널이 만나는 교차 지점을 통과 시 소재에 심한 전단변형을 가하는 가공방법이다. 또한 ECAP은 계속적인 반복 변형으로 가공량이 증가하더라도 소재의 단면적 감소를 수반하지 않으므로 재료 내에 높은 변형에너지를 축적시킬 수 있어 결정립의 초미세화가 가능하다. ECAP으로 얻어진 소재의 경우 결정립 크기가 마이크로미터 이하로 매우 미세하므로 초소성과 같은 부가적인 성질을 얻을 수 있으며, Al, Cu, Mg합금 및 철강재료 등에 적용되어 많은 연구가 진행되어왔다[4, 5].

참고문헌 (9)

H. Akamatsu, T. Fujinami, Z. Horita and T. G. Langdon : Scripta Mater., 4 (2001) 759.
E. A. El-Danaf, M. S. Soliman, A. A. Almajid and M. M. El-Rayes : Mater. Sci. Eng. A, 458 (2007) 226.

상세보기
V. M. Segal : Mater. Sci. Eng. A, 197 (1995) 157.

상세보기
S. Xu, G. Zhao, G. Ren and X. Ma : Comp. Mater. Sci., 44 (2008) 247.

상세보기
R. B. Figueiredo and T. G. Langdon : Mater. Sci. Eng. A, 501 (2009) 105.

상세보기
B. J. Singh, A. Sarkar, G. Sharma, V. Basavaraj and J. K. Chakravartty : Mater. Sci. Forum, 702-703 (2012) 89.
C. Z. Xu, Q. J. Wang, M. S. Zheng, J. W. Zhu, J. D. Li, M. Q. Huang, Q. M. Jia and Z. Z. Du : Mater. Sci. Eng. A, 459 (2007) 303.

상세보기
K. Matoy, H. Schonherr, T. Detzel, T. Schoberl, R. Pippan, C. Motz and G. Dehm : Thin Solid Film, 518 (2009) 247.

상세보기
Y. Gaillard, E. Jimenez-Pique, F. Soldera, F. Mucklich and M. Anglada : Acta Mater., 56 (2008) 4206.

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증