초록 ▼

Al-Li 합금은 밀도가 낮고 탄성율이 높은 경량 고강도 신금속 재료로 세계적으로 많은 관심의 대상이 되고 있다. 이 합금은 구조용재료이므로 기계적 여러 성질이 중요하며 기계적 성질은 미세조직에 민감하다. 한편 이 합금은 연성과 파괴인성이 좋지 않다는 문제점을 갖고 있다.
주요 기계적 성질로는 강도, 파괴인성, 피로특성, 초소성, 고온변형특성, 저온변형특성 등을 꼽을 수 있으며 이와같은 여러 성질중 저온기계적성질, 저온피로특성, 고온변형특성, 그 밖의 여러 특성이 많이 밝혀져 있지 않다. 또 이합금의 미세조직에

Al-Li 합금은 밀도가 낮고 탄성율이 높은 경량 고강도 신금속 재료로 세계적으로 많은 관심의 대상이 되고 있다. 이 합금은 구조용재료이므로 기계적 여러 성질이 중요하며 기계적 성질은 미세조직에 민감하다. 한편 이 합금은 연성과 파괴인성이 좋지 않다는 문제점을 갖고 있다.
주요 기계적 성질로는 강도, 파괴인성, 피로특성, 초소성, 고온변형특성, 저온변형특성 등을 꼽을 수 있으며 이와같은 여러 성질중 저온기계적성질, 저온피로특성, 고온변형특성, 그 밖의 여러 특성이 많이 밝혀져 있지 않다. 또 이합금의 미세조직에 대한 연구는 많이 수행되었으나 기계적 성질과의 관련성에 대해서는 불명확한 점이 많다. 본 연구는 이와같은 현황을 고려하여 기계적 제특성을 미세조직과 관련시켜 조사하였으며, 제 4 세부과제에서는 전자현미경 직접관찰을 통해 변형거동을 미시적으로 조사하면서 타세부과제에서 필요로 하는 미세조직에 대한 정보를 제공하도록 하였으며 상호간의 횡적연결을 통해 다음과 같은 성과를 거두었다.
1) 파괴인성
가공열처리 즉 가공과 시효처리 공정변화에 따른 미세조직변화가 실온 및 저온인장특성, 저온내충격성, 파괴인성, 응력부식균열특성에 미치는 영향을 종합적으로 조사하였다. 실온인장특성에 적절한 것으로 판단되는 가공열처리조건이 상기의 여러 다른 특성에 적절한 것은 아니었다. 8090 Al-Li 합금의 저온기계적성질이 우수하다는 것은 알려져 있었으나 본 연구에서는 delamination과 밀접한 관계에 있는 것을 구체적으로 밝힌 것이 성과이다. 또 파괴인성은 δ'상의 분포양상과 관계되며 δ'상의 밀도가 증가되고 그 크기가 증가하므로서 감소되었다. T?, S' 상은 기계적성질에 유리하다고 보고되고 있으나 시용화를 염두에 둔 간편한 가공열처리범위내에서는 이들 상의 분포양상차이가 기계적성질에 영향을 미치지는 못했다. 내응력부식균열특성은 냉연시킨 경우 냉연 안 시킨 경우보다 저하됐는데 이는 입계석출상이 증가하므로서 양극용해가 촉진되기 때문으로 해석됐다.
2) 초소형 및 크립변형특성
적절한 공정 도입으로 8090 Al-Li 합금의 초소성을 향상시킬 수 있었다. Al-Li 합금에서 초소성은 정적재결정으로 얻은 재료가 동적재결정된 재료보다 초소성이 떨어지는 것으로 알려져 있으나 본 연구에서는 그 반대되는 결과를 얻었다. Al-Li 합금에서 초소성 성질은 초기 결정립 크기의 영향보다 동적결정립 성장속도의 영향을 더 크게 받는다.
AES 분석결과 알루미늄 합금에서 결정립 성장을 억제한다고 현재까지 알려진 Cr-분산물은 관찰되지 않았다. 대신에 Cu를 많이 함유하는 개체물임을 새로이 알아내었다. 또한 응력-변형 속도 곡선에서 8090 Al-Li 합금과 7475 Al 합금의 초소성 성질은 근본적으로 같음을 알 수 있었다.
3) 초소성 변형이론
8090 Al-Li 합금의 초소성변형특성을 규명하기 위하여 200-530℃의 온도 구가에서 응력이완 실험을 행하였다. 가공열처리를 통하여 얻은 다양한 결정립 크기를 가진 시편들로 결정립크기가 초소성 및 고온 변형 거동에 미치는 영향을 조사하였다. 그 결과로 얻은 중요한 연구 결과는 다음과 같다. 첫째, 결정립계미끄러짐(GBS)현상은 내부강도변수 σ(sup)(*)가 GBS를 위한 정적인 마찰응력인 Σ(sub)(g)보다 큰 경우에만 가능하다. 둘째, 응력이완실험을 통해 얻은 logσ - log ε 곡선은 σ(sup)(*) > Σ(sub)(g) 일 경우에는 GBS를 기술하는 곡선과 이를 보완해주는 결정립변형에 의한 곡선이 복합된 형태이며, σ(sup)(*) < Σ(sub)(g)인 경우에는 GBS 거동은 나타나지 않게 된다. 셋째, GBS거동은 M(sub)(g) = 1.0 으로 대표되는 뉴톤의 점성유동법칙을 따른다. 마지막으로, 내부강도변수의 σ(sup)(*)는 결정립크기에 대해 σ(sup)(*)는 결정립크기에 대해 σ(sup)(*) = K d(sub)(-1/2) 의 Hall -Petch 형태의 관계를 갖는다.
4) TEM을 이용한 미세조직과 미시적 소성변형거동
제 4 세부과제에서는 8090 Al-Li 합금의 가공열처리에 따른 미세조직 (δ', S', PEZ등)과 소성변형 및 파괴거동과의 미시적 상관관계를 인장 시험과 투과전자현미경내 직접변형실험을 통해 연구되었다. 그 주요 연구결과로는, 1) 아시효조건에서는 planar슬립에 의한 응력집중으로 입내 파괴가 지배적인 반면 과시효조건에서는 무속출대를 따라 입계파괴가 주로 일어났다. 2) Planar슬립에 참여하는 전위는 두개의 완전전위로 이루어지는 전위쌍을 형성하고 그 사이에는 APB가 형성된다. 3) Planar 슬립에 의해 조대한 슬립대가 형성되는 경우 소경각입계는 슬립에 별 영향이 없으며 결정입계는 변형집중에 의해 균열발생 장소가 된다. 4) Stretching 양이 증가할수록 시효조건에 무관하게 인장강도는 증가하지만 연신율은 감소하였다. 5) Stretching 양이 증가할수록 S'상은 크기가 감소하며 그 분포는 균일해지는 경향을 보이며, TEM 직접변형실험을 통해 planar 슬립을 억제함을 관찰하였다. 이들 이시적 및 거시적 실험결과들은 서로 잘 일치되어 Al-Li 합금의 기계적 거동의 이해에 큰 도움이 되었다.
5) 미세조직에 따른 피로거동
Al-Li 8090 합금의 피로성질에 영향을 미치는 주요변수중 제 2 상 석출물, 이방성 및 온도의 영향을 집중적으로 조사하였으며 피로성질의 변화를 가져오는 근본적인 기구들을 함께 고찰하였다. 미세조직은 δ'조직과 S'+δ'조직으로 구분되었으며 이들 시편에 대한 피로저항성을 외부적 (extrinsic) 및 내부적 (intrinsic)인 관점으로 조사하였는데 그 주요한 결과는 다음과 같다. 첫째, δ'조직은 S'+ δ'조직에 비해서 피로균열생성에 대한 저항성이 크게 증가하였는데 이것은 δ'상조직에서 평면슬립이 잘 발달되기 때문에 균열의 휨에 의하여 ΔK의 구동력이 감소되며 또한 균열닫힘의 효과가 크게 작용하기 때문이다. 이러한 외부적 저항성 이외에도 내부적 피로저항성이 δ'조직에서 더 우수하였다. 둘째, δ'조직에서의 피로균열생성에 대한 저항성은 L-T, T-S, 및 S-T시편중에서 L-T시편이 가장 우수하였는데, L-T 시편이 T-S시편에 비해 균열닫힘양이 같음에도 불구하고 피로균열생성 저항성이 큰 이유는 균열전파면이 두께방향으로 동일면상에 존재하지 않기 때문으로 해석되었다. 셋째, δ'조직의 피로저항성은 상온(298K)이 저온 (77K)에 비해 우수한 반면, S'+δ'조직에서는 저온이 상온보다 우수하였다.

Abstract ▼

Al-Li alloy is one of the new interesting construction materials of low density with high stiffness. The important mechanical prorerties of the construction materials are : strength,
fracture toughness, fatigue properies, superplasticity, high temperature deformation behaviors and low temperat

Al-Li alloy is one of the new interesting construction materials of low density with high stiffness. The important mechanical prorerties of the construction materials are : strength,
fracture toughness, fatigue properies, superplasticity, high temperature deformation behaviors and low temperature mechanical properties. Among these properties, low temperature mechanical properties, low temperature fatigue properties, and high temperature deformation behaviors and some other properties have not well been studied. Mechanical properties are entirely affected by microstructures. Microstructure of Al-Li alloy has been quite well studied. However, the correlations of mechanical properties and microstructure of Al-Li alloy are not well known. Therefore this work is aimed to study the micostructure and mechanical properties of Al-Li 8090 alloy. Study of the microstructures are carried out mainly by the 4the subproject and the other subproject have got necessary information on microstructure from the 4th subproject and other informations from each other. Most important results of the subprojects are as follows :
1) Fracture Toughness
Room temperature and low temperature tensile properties, low temperature impact properties, fracture toughness and stress corrosion sracking (SCC) of the Al-Li 8090 alloy have been studied in correlation with the microstructure by thermomechanical treatment, especially by cold rolling and aging treatment. It is well known that the Al-Li alloy has some good low temperature mechanical properties. In this study, it has been found very good correlasionship between low temperature tensile properties including impact properties and delamination. The distribution of δ'-phase influence the fracture toughness largely : Increased density and size of δ'-phase results the decreased fracture toughness. TMT process of this study did not influenced so much the distribution of S' and T?-phase to bring any change in mechanical properties. SCC sensitivity increased by the cold rolling before aging treatment. This is attributed to the accelerated anodic diaaolution of the grain boundary precipitates which has been grown in the cold rolled specimen.
2) Superplasticity and Creep Deformation Behavior
The thermomechanical processing route for the Al-Li 8090 alloy has been developed by Alcan International, and has not yet been disclosed by the manufacturer. The aim of this study is to develop a TMP route of the 8090 Al-Li alloy by static recrystallization as alternative. Applying cold deformation before an aging process can substantially improve the superplastic behavior of an 8090 Al-Li alloy processed by a static-recrystallization route. The general level of superplasticity in the present statically-recrystallized sheet was higher than that in 8090 spf sheet by the Alcan
International. This was explained by the grain stability. More resistance to grain growth at low superplastic elongation is believed to exist in the statically recrystallized material.
3) Development of Superplastic Deformation Theory
The superplastic deformation behavior of 8090 Al-Li alloy has been studied by conducting a series of load-relaxation tests at various temperatures ranging from 200℃ to 530℃. The effect of grain size has also been examined by varing the grain size through a thermomechanical treatment. It has been found that grain boundary sliding(GBS) can occur only when the internal strength parameter σ(sup)(*) is larger than the static friction stress (Σ(sub)(g))for GBS. The relaxation curve for flow stress (σ) vs. strain rate (ε) seems to be a composite curve consisting of GBS and accommodation plastic strain rate when σ(sup)(*)>Σ(sub)(g). In the case of σ(sup)(*)<Σ(sub)(g), GBS cannot occur and relaxation curve represents entirely the plastic deformation process. The GBS was also found to be a Newtonian viscous flow process characterized by the power index value M(sub)(g) = 1.0. As an additional dividend of the study, the internal strength variable (σ(sup)(*)) is found to be inversely propotional to the square root of grain size.
4) TEM Studies of Microstructure and Microscopic Deformation Behavior
Microscopic observations on the microstructure, plastic deformation and fracture behavior of 8090 Al-Li alloy have been made using in situ TEM deformation technique. The typical microstructure of the alloy was composed of δ'(up to 30nm), S'(in lath shape) and PFZ (up 150nm in half-width) depending on the stretching and aging conditions. In-situ TEM deformation revealed that multiple planar slip followed by transgranular fracture with striction was observed in under-aged specimens, hile over-aged specimens showed both concentrated slip bands in the PFZ and the delamination along the grain boundaries, resulting in the intergranular fracture. The planar slip occurred by the movement of dislocation pairs, which were composed of two perfect dislocations and anti-phase boundary between them and readily transgressed low angle boundaries. As the deformation progressed, the planar slip was accumulated creating coarse slip bands. As the amount of stretching and aging increases, the frequency of coarse slip bands decreases. It seems that this phenomenon is caused by the dispersion of the planar slip by the uniform-S' phase. The results were consistent with macroscopic mechanical properties.
5) Effect of Microsturcture on the Fatigue Behavior
This study has been focused to investigate the effect of second phase particles, anisotropy and temperature on the fatigue properties of Al-Li 8090 alloy, and to understand basic mechanisms for controlling properties. Extrinsic and intrinsic and intrinsic fatigue resistanc have been examined in the two types of microstructures, ie, δ' microstructure and S'+δ' microstructure. Important results the δ'microstructure was considerably higher than that of S'+δ' microstructure. It was mainly attributed to the extrinsic nature such as severe crack deflection and high level of crack closure, as well as to the intrinsic nature of greater slip reversibility in δ' microstructure. (2) For the δ' microstructure, fatigue crack initiation resistance of L-T orientation was the best among L-T, T-S and S-T oriented specimens. Excellent crack initiation resistance in the L-T specimen, compared to the T-S specimen which represented similar closure level as L-T, was presumably due to the non-coplanar crack front developed through the thickness direction in the L-T specimen. (3) In δ' microstructure fatigue resistance at room temperature(298K) was higher than that at cryogenic temperature(77K). However, S'+δ'structure showed opposite behavior.

목차 Contents

• -총괄과제...15
• -제1세부과제...49
• -제2세부과제...103
• -제3세부과제...149
• -제4세부과제...242
• -제5세부과제...321