[논문]Ti-6Al-4V 합금의 미세조직에 따른 정적 및 동적 변형에 관한 연구

이동근; 이유환; 이성학; 허선무; 이종수

문제 정의

현재 이러한 미세조직을 바탕으로 많은 연구가 진행 되고 있으며, 특히 높은 변형속도를 경험하는 극심한 조 건 하에서의 기계적 특성을 평가하기 위해 다양한 방법이 시도되고 있는데, 이는 우주항공산업, 자동차 산업 및 군수산업에 이르기까지 동적 하중 하에서의 변형 및 파 괴거동에 대한 연구가 절실히 요구되고 있기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 Ti-6A1-4V 합금의 정적, 동적 변 형 및 파괴 현상에 대하여 연구하였으며, 그 결과를 미 세조직에 따른 단열성 전단밴드의 형성 가능성과 연계하여 고찰하였다®;

제안 방법

본 연구에서는 그림 1과 같은 열처리 방법으로 그림2와 같은 3가지 미세조직 (Equiaxed, Widmanstatten, Bimodal)을 얻어내었다. 그림 2에 나타난 바와 같이 α 상의 형상에 따라 세 가지 미세조직이 구분되며, 이렇게 얻어진 각각의 미세조직에 대하여 인장시험(변형률속도 약 10%)과 Torsional Kolsky Bar(4)를 이용하여 정적 비틀림 시험(변형률속도 약 10^-4s), 동적 비틀림 시험(변 형률속도 약 l0³/s), 그리고 고온 압축시험(온도 범위 750ºC~950ºC, 변형률속도 범위 10^-2/s, 10/s 10²/s)을 수행하였다.
Ti-6A1-4V 합금은 미세조직학적 주요 인자들에 의해 인장성질 등 정적 변형특성뿐만 아니라 동적 변형특성이 다르게 나타나게 되는데 이들에 대해 정적 하중 조건, 고온 압축하중 조건 및 동적 하중 조건 하에서의 기계적 성질, 변형 거동 및 파괴 거동을 미세조직과 연관시켜 해석하였다. 표 1과 그림 3, 4에서 보여주듯이 세 조직에 대해 인장성질, 정적 비틀림 성질 및 동적 비틀림 성질 이비슷한 경향을 나타내고 있다.
이것은 항복이후 소성변형으로 재료 내부에 축적된 에너지의 90%이상이 열로 변환되게 되는데% 타이타늄의 낮은 열전도로 인하여 이러한 영역이 연화되어 소성변형 집중영역이 형성된 것으로 생각되며, Bimodal 조직의 경우는 파면근처에 이러한 국부적 소성변형 집중 영역이 나타나지 않았고, 많은 공동이 존재하였다. 국부적인 소성변형 집중영역의 형성 가능성을 정량적으로 평가하기 위해 정적시험 시편 과 동적시험 시편의 변형된 영역에서 공동의 생성 수를 조사하였다. 그림 8에서와 같이 내부로 갈수록 전체적으로 점차 공동의 수는 감소하는 경향을 나타내고 있는데, 이것은 외부에서 가해지는 에너지를 소모하기 위하여 대부분 ASB 생성과 공동의 생성 두 가지 중 선택적으로 에너지가 분배됨을 의미하는 것이다.
Ti-6A1-4V 합금의 세 가지 미세조직에 대하여 인장, 정적 비틀림, 동적 비틀림 및 고온압축시험 결과를 고찰 하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 그림 1과 같은 열처리 방법으로 그림2와 같은 3가지 미세조직 (Equiaxed, Widmanstatten, Bimodal)을 얻어내었다. 그림 2에 나타난 바와 같이 α 상의 형상에 따라 세 가지 미세조직이 구분되며, 이렇게 얻어진 각각의 미세조직에 대하여 인장시험(변형률속도 약 10%)과 Torsional Kolsky Bar(4)를 이용하여 정적 비틀림 시험(변형률속도 약 10^-4s), 동적 비틀림 시험(변 형률속도 약 l0³/s), 그리고 고온 압축시험(온도 범위 750ºC~950ºC, 변형률속도 범위 10^-2/s, 10/s 10²/s)을 수행하였다.

성능/효과

인장시험에서 얻어진 결과를 표 1에 나타내었다. 항복강도와 인장강도 값은 Widmanstatten, Equiaxed, Bimodal 조직 순으로 증가하고 인장연성은 Bimodal, Widmanstatten, Equiaxed 조직의 순으로 증가하는 것으로 나타났으며 인장파면을 관찰하여 본 결과 모든 미 세조직에서 연성파괴가 관찰되었다.
그림 3에는 정적 비틀림 시험 후 얻어낸 전단응력-변형률 곡선을 나타내었다. 강도 및 연성의 전체적인 경향 은 인장시험과 매우 비슷한 경향을 나타내며, 파면 역시 모든 미세조직에서 연성파괴의 형태인 dimple이 관찰되었다. 또한 파면 주위에서는 다수의 공동(void)이 관찰되 었고, 전단밴드는 거의 관찰할 수 없었다.
또한 파면 주위에서는 다수의 공동(void)이 관찰되 었고, 전단밴드는 거의 관찰할 수 없었다. 그림 4에는 동 적 비틀림 시험의 결과를 나타내었는데, 전체적으로 강 도와 연성의 경향은 인장 및 정적 비틀림 시험과 유사하며, strain rate hardening 의 효과로 응력은 증가하는 대신 변형량은 감소하는 것으로 나타났다. 이 경우에도 역시 파면은 대부분이 연성파괴가 관찰되었고, 파면주위에 다수의 공동과 빠른 변형률 속도로 인한 단열성 전단밴드(Adiabatic Shear Band 이하 ASB)가 관찰되었는데, Equiaxed 조직에서는 다량의 ASB 가 발생하였고, Widmanstatten 조직에서는 약간의 ASB와 공동, 그리고 Bimodal 조직에서는 다수의 공동이 관찰되었으며 ASB는 거의 관찰할 수 없었다.
그림 4에는 동 적 비틀림 시험의 결과를 나타내었는데, 전체적으로 강 도와 연성의 경향은 인장 및 정적 비틀림 시험과 유사하며, strain rate hardening 의 효과로 응력은 증가하는 대신 변형량은 감소하는 것으로 나타났다. 이 경우에도 역시 파면은 대부분이 연성파괴가 관찰되었고, 파면주위에 다수의 공동과 빠른 변형률 속도로 인한 단열성 전단밴드(Adiabatic Shear Band 이하 ASB)가 관찰되었는데, Equiaxed 조직에서는 다량의 ASB 가 발생하였고, Widmanstatten 조직에서는 약간의 ASB와 공동, 그리고 Bimodal 조직에서는 다수의 공동이 관찰되었으며 ASB는 거의 관찰할 수 없었다.
변형온도 감소와 변형률 속도 증가에 따라 높은 응력 을 나타내었으며, 대부분의 경우 Bimodal 조직이 가장 높은 최대응력(peak stress)을 나타내었으며, 변형연화 (softening도 타 조직에 비해 매우 큰 편이었다.
내부조직 관찰결과 비교적 온도가 낮고 변형률 속도가 큰 조건750℃, 10²/s)에서 세 조직 모두 두터운 ASB가 관찰되었으며, 심지어 Equiaxed 조직은 750℃, 10²/s 에서 압축하중 축에 45° 방향으로 파괴가 발생하였다(그림6). 이 방향은 압축시편 내부를 관찰하여 본 결과 ASB 형성방향과 동일하였으며, 이와 같은 영역을 따라 파괴 가 발생하였다®.
동적 비틀림 시험한 시편의 파면에 수직한 단면을 관찰한 그림 7을 보면 Widmanstatten 조직의 경우 약 6 0~70 ㎛ 폭을 가지는 국부적인 변형집중 영역이 존재하며, Equiaxed 조직의 경우 파면 근처에 약 16.5 ㎛ 정도의 두께로 등방성 a 입자의 형상을 알아볼 수 없을 정도로 전단응력 방향과 평행하게 국부적으로 집중 변형된 영역이 관찰되는 것을 확인할 수 있다. 이것은 항복이후 소성변형으로 재료 내부에 축적된 에너지의 90%이상이 열로 변환되게 되는데% 타이타늄의 낮은 열전도로 인하여 이러한 영역이 연화되어 소성변형 집중영역이 형성된 것으로 생각되며, Bimodal 조직의 경우는 파면근처에 이러한 국부적 소성변형 집중 영역이 나타나지 않았고, 많은 공동이 존재하였다.
(1) 시험결과 세 조직 모두 변형속도와는 무관하게 dimple 형태의 연성 파괴특성을 나타내었으며, 강도는 Bimodal > Equiaxed > Widmanstatten 순으로 나타났 으며, 연성은 Equiaxed > Widmanstatten > Bimodal 순으로 나타났다.
(3) 고온압축시험에서도 특정 조건에 있어서 Equiaxed 조직은 단열성전단밴드의 형성이 용이하며 매우 취약한 것으로 나타났다.
(4) Widmanstatten 조직은 좁은 폭의 국부적인 소성 변형 집중 영역이 일부 존재하고, Equiaxed 조직은 보다 좁은 폭의 국부적 소성변형 집중 영역이 존재하여 전단 밴드를 형성하며, Bimodal 조직의 경우는 이러한 소성변 형 집중 영역이 거의 관찰되지 않았다.
(2) 공동의 생성 정도와 ASB 형성 정도에서는 Equiaxed, Widmanstatten 조직의 경우 국부적인 소성변형 집중 영역의 생성으로 인해 다량의 에너지가 소모되 었고, Bimodal 조직의 경우는 공동 생성으로 에너지를 소모하였다.

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