보고서 정보
주관연구기관 |
인하대학교 InHa University |
연구책임자 |
李智煥
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참여연구자 |
윤의박
,
권혁무
,
홍순형
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발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 1993-08 |
주관부처 |
과학기술부 |
사업 관리 기관 |
인하대학교 InHa University |
등록번호 |
TRKO200200014133 |
DB 구축일자 |
2013-04-18
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키워드 |
SiCp/Al.금속기 복합재료.열간압출.열적안정성.고온압축변형.통계적평가 Weibull 계수.고온비틀림 시험.AE energy.back stress.단속적 파괴인성시험 sub-crack.평면응력.평면변형.Gr./Al.젖음성.인장강도.경도.내마멸성.밀도.열팽창계수.열전전도.SiCw/Al.creep 변형.유사초소성.내부응력초소성.SiCp/Al.MMCs.Hot extrusion.Thermal stavility.Compressive deformation Statistical evaluation.Hot torsion.AE energy.back stress.sub-crack interrupted fracture toughnress test.plane strain.plane stress.Gr./Al wettavility.tensile strengh.hardness.wear resistance.density.thermal strain rate superplasticity.internal stress superplasticity.
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초록
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본 연구는 Al 합금기 복합재료의 제조와 특성에 관한 연구로서 제 1 세부과제에서는 분말야금법에 의한 Al 합금기 복합재료의 제조와 특성에 관한 연구, 제 2 세부과제에서는 Squeeze Casting 법에 의한 Al 합금기 복합재료의 제조 및 역학적 특성에 관한 연구, 제 3 세부과제에서는 Compocasting 법에 의한 입자분산 Al 합금기 복합재료에 관한 연구 그리고 제 4 세부과제에서는 Al 합금기 복합재료의 고온변형특성에 관한 연구를 행하였다. 제 1 세부과제에서는 SiC 입자강화 Al 합금기 복합재료의 제조공정의
본 연구는 Al 합금기 복합재료의 제조와 특성에 관한 연구로서 제 1 세부과제에서는 분말야금법에 의한 Al 합금기 복합재료의 제조와 특성에 관한 연구, 제 2 세부과제에서는 Squeeze Casting 법에 의한 Al 합금기 복합재료의 제조 및 역학적 특성에 관한 연구, 제 3 세부과제에서는 Compocasting 법에 의한 입자분산 Al 합금기 복합재료에 관한 연구 그리고 제 4 세부과제에서는 Al 합금기 복합재료의 고온변형특성에 관한 연구를 행하였다. 제 1 세부과제에서는 SiC 입자강화 Al 합금기 복합재료의 제조공정의 최적화, 열적안정성, 강도의 통계적평가 그리고 고온 변형특성에 관하여 행한 경로가 다음과 같은 결론을 얻었다. 진공열간프레스를 이용하여 제조된 SiCp/2024 Al 기 복합재료의 탄성율과 인장강도는 SiC 입자의 부피분율이 증가함에 따라 증가하였으나, 연산율은 감소하였다. 고온 인장특성에 있어서는 상온에서 350℃까지의 온도범위에서 2024 Al 기지재에 비하여 SiCp/2024 Al 복합재료의 특성이 전반적으로 우수하였다. SiC 입자에 대한 Ni-P 피복의 영향은 탄성율과 경도는 SiC에 Ni-P를 행한 입자를 강화한 경우 다소 증가한 것을 알 수 있으며, 인장강도와 연신율은 감소하였다. 이는 SiC 입자와 기지재와의 계면인 Ni-P 피복층이 520℃의 성형도중 매우 경하고 취약한 금속간화합물인 Ni?P로 변태를 하였기 때문으로 사료된다. 열처리후의 SiCp/2024 Al 복합재료의 비탄성은 SiC 입자의 체적함유량의 증가와 함께 증가하여 30 vol%의 SiC 입자를 강화한 경우 127 GPa로서 그 증가율은 열처리 전의 복합재료에 비하여 15% 증가하였다. 이러한 결과로 미루어 볼때 SiC 입자의 체적함유율은 SiCp/2024Al 기 복합재료의 바탄성에 매우 큰 영향을 미친다고 사료된다. 반면에 비강도의경우는 열처리에 의해 기지재의 특성에 매우 큰 영향을 받았다. SiC(sub)(p)/2024 Al 합금기 복합재료의 최적 압출조건을 확립하기 위하여 압출온도 430∼570℃의 온도구간과 10:1 ∼ 25:1 압출비에서 압출을 행한 경로가 최적압출온도는 고상선 이하의 500℃로 사료되며, 압출비에 따른 인장시험 결과 강도값의 향상은 15:1 의 압출비 이상에서 나타남에 따라 SiC(sup)(p)/2024 Al 합금기 복합재료의 임계 압출비는 15:1 이라 사료된다. SiC(sup)(p)/2024 Al 합금기 복합재료의 열적안정성은 열노출시간과 열싸이클의 횟수가 증가함에 따라 초기에 급격한 인장강도의 저하를 보였으며, 강도의 분산폭이 증가하였다. 강도분산폭의 증가 및 강도저하의 주된 원인은 기지재의 열화와 SiC 입자와 기지재의 계면에서의 debunding 에 의한 것으로 사료된다. 압축 유동응력은 온도가 증가함에 따라 일정 변형률(0.4)에서 감소함을 나타내고 있었으며, 변형속도가 증가함에 따라 증가하였으며, 20 Vol% SiC(sub)(p)/2024 Al 복합재료의 경우 2024 Al 기지재보다 동일한 변형속도와 온도하에서 높은 응력값을 나타내었다. 변형속도 민감도는 400℃∼500℃의 온도구간과 일정 변형률(0.4)에서 복합재료인 경우 0.16∼0.25, 2024 Al 기지재료는 0.19∼0.29로서 복합재료의 경우 기재재보다 낮게 나타났다. 강도의 통계적 평가에 있어서 Compocasting 법으로 제조된 SiC(sub)(p)/356Al 복합재료의 경우 열간압출 후 인장강도와 강도이 분산폭이 현저하게 줄어들어 Weibull 계수가 증가하였다. 이는 압출을 통하여 SiC 입자의 분산향상과 미소결함의 감소 및 압출방향으로의 SiC 입자의 방향성에 기인하는 것으로 사료된다. 분말야금법으로 제조된 SiC(sub)(p)/2024 Al 합금기 복합재료의 경우는 SiC 입자의 부피분율이 증가함에 따라 강도의 분산폭이 커지는 반면, Weibull 계수의 값은 linear 하게 감소하는 경향을 보였다. 복합재료의 고온변형거동은 고온변형중 고온연화기구에 있어서 2024 Al과 SiC(sub)(F)/2024 Al 복합재료 모두 동적재결정이었다. 특히, 복합재료의 경우 SiC 입자가 전위증식 및 전위이동을 방해함에 따라 동적재결정이 촉진되었다. 고온 연속 변형시험에서 변형속도, 온도, 유동응력의 상관관계는 2024 Al 과 SiC(sub)(p)/2024 Al 기 복합재료 모두 하이퍼볼릭사인법칙으로 정량화 할 수 있었다. 제 2 세부 과제에서는 Squeeze casting 법에 의해서는 적정량의 Whisker 분율을 변경시킬 수 없었으므로 제 2상의 체적율을 자유롭게 변화시킬 수 있는 P/M법에 의해 제작한 SiC 입자강화 6061 Al 합금의 복합재료에 관한 연구를 하였다. 즉, 본 연구에서는 체적율을 달리한 SiC 입자와 6061 알루미늄합금 분말을 열간압출로 복합화시키고 T6 열처리 (overaged)한 재료에 대하여 인장시험, 표준 Charpy 충격시험을 통하여 SiC 입자체적률에 따른 6061 Al 복합재료의 기계적 성질을 연구하였으며 5%, 10%, 20%, 30%로 SiC 입자 체적율을 달리한 SiC 입자와 6061 알루미늄합금 분말을 열간 압출로 복합화시키고 T6열처리(overaged)한 재료에 대하여 인장시험, 파괴인성시험한 연구결과를 기초로 하여 균열 진전경로를 관찰하였다. 파면 및 시편측면 관찰은 파괴시험 후 SEM 을 사용하였고, 균열 진전경로 관찰은 광학현미경을 사용하였으며, 이들 결과와 X-선 응력측정에 의한 균열선단의 거동예측 및 정적 파괴인성시험시에 행한 AE(Acoustic Emission) 결과를 종합하여 복합재료의 파괴기구를 검토하였다. 체적율이 낮은 5%와 10% 복합재료에서 입자분포에 방향성을 나타내었다. 광학현미경 및 SEM에 의한 미세조직 분석결과, 5%, 10%, SiC 입자 체적율의 재료에서 구상의 작은 입자들이 일부 응집(Agglomeration)된 부분이 발견되었다. 반면 입자 체적율이 20%, 30%로 증가되면서 20-30㎛의 다각형상의 조대한 입자가 다수 존재하였다. 입자 체적율이 증가될수록 인장강도와 0.2% 항복강도는 증가되나, 연신율은 입자 체적율의 증가로 감소되어 30% SiC 입자 체적율의 경우 약 2% 정도이다. 강화재 첨가에 의한 강도 증가는 기지금속과 강화재의 열팽창계수차이에 의한 전위의 영향으로 해석할 수 있다. 복합재료의 SiC 입자강화재 첨가에 의한 강도 증가는 시료 제조온도 및 열처리온도에서 SiC와 기지금속인 6061 알루미늄합금의 열팽창계수 차이로 인한 전위발생과, 이들 전위에 의한 back stress의 증가로 입자 강화재가 첨가되면서 입자 주위의 전위밀도가 입자에서 멀리 떨어진 기지금속보다 높으며, 입자 체적율이 큰 경우 전위들은 서로 tangle되어 입자 주위만이 아니라 전체 기지금속 내에서 고른 전위밀도를 나타내고 있었다. 이들 전위로 형서오딘 강화입자 주위의 2차 소성영역은 입자 체적율이 높을 ㄸㅒ 전체 재료내에서 서로 겹쳐지게 된다. 이렇게 형성된 정위는 외력에 의해 상호작용이 일어나 체적율이 5%, 10%, 20%, 30%로 변화될 때 가공경화 지수가 각각 0.05, 0.11, 0.22, 0.23으로 커지면서 강도 증가를 유발하였다. 금속기 복합재료의 파괴인성은 강화재와 기지금속의 특성 및 제조방법과 제조조건에 좌우된다. 파괴인성에 대한 기지금속의 영향은 연성에 의존하고 제조방법과 조건에 따라 강화재의 분포, 기공과 편석의 정도가 틀려 미세조직이 바뀌므로 파괴인성에 영향을 주는 것으로 생각된다. CT 시편에 의해 구한 J(sub)(IC), CAI 시스템에 의해 구한 J(sub)(Id) 및 T(sub)(mat)의 SiC입자 체적율에 대한 변화는 입자체적율의 증가와 함께 모두 감소하고 있다. 입자체적보이드 발생으로부터 합체에 이르는 동안 기지금속의 소성변형 정도는 파단면에서 dimple의 크기로 나타나고, 이로부터 dimple 크기와 연성 관계가 설명될 수 있다. 체적율의 증가에 따라 dimple 크기로 나타나고, 이로부터 dimple 크기와 연성 관계가 설명될 수 있다. 체적율의 증가에 따라 dimple 크지금속의 소성변형이 어려워, 보이드 발생이 불안정 파괴로 연결되어 파괴인성과 연성이 저하된다. 따라서 복합재료의 파괴인성은 연성과 관계가 있음을 알 수 있다. 동적 파괴인성시편의 파면 SEM 관찰결과, 5%,10%입자체적율에서는 큰 SiC 입자가 파괴되거나 계면이 분리되어 균열이 확연히 드러나 있다. 이와 같이 큰 입자 주위의 기지금속에는 열팽창계수의 차이에 의해 전위밀도가 높아 상대적으로 sub-crack이 쉽게 발생된 것으로 생각된다. 반면 20%, 30%의 경우에는 잘게 부서진 작은 입자들과 여러 조각으로 파괴된 큰 입자의 형태를 볼 수 있다. 이 상태에서 동적 파괴인성시험시 발생되는 탄성파의 영향을 받아 입자가 미세하게 부서진 것으로 사료된다. 표준 Charpy 충격시편을 사용하여 CAI 시스템에 의해 측정한 하중-변위 곡선에서 모재합금 (입자 체적율 0%)과 5% 복합재료에서는 항복점에서 최대 하중점에 이르는 동안 변위가 상당량 일어나고 있으나 10%, 20%, 30%,로 체적율이 증가함에 따라 급격히 감소한다. -원문참조-
Abstract
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Main study of the first research team is focused on topics such as optimization of fabrication process, thermal stability, statistical analysis of tensile strength and high temperat are deformation behavior in SiC particle reinforced Al alloy composites. The elastic modulus and tensile strength of
Main study of the first research team is focused on topics such as optimization of fabrication process, thermal stability, statistical analysis of tensile strength and high temperat are deformation behavior in SiC particle reinforced Al alloy composites. The elastic modulus and tensile strength of SiCp/2024 Al composites fabricated by vacuum hot press were increased with an addition of SiC particles. After Ni-P coating, elastic modulus of the composites with Ni-P coated SiC particle is found to be much higher than that of the composites with uncoated SiC particle in the range of 10 to 30 vol% SiC particls. It is observed that the hardness of Ni-P coated SiC particle reinforced composites is superior to that of uncoated SiC particle reinforced composites. This is due to the brittle and hard Ni?P formed in Ni-P coating layer at consolidation temperature of 520℃. Both the tensile strength and elongation in Ni-P coated SiC particle reinforced composites was found to be decreased in comparison with uncoated SiC particle reinforced composites, because the brittle Ni?P phase were formed at the interface between SiC particle and 2024 Al matrix. After aging of 200℃, the specipic modulus of the composites was observed to be increased as the volume fraction of SiC particle increases. The speicfic modulus values of composites with 30 vol% SiC particle exhibited the increase portion of 15%, in comparison with the as-fabricated composites, increasing to 127 GPa at 30 vol% SiC(sub)(p)/2024Al composites. Therefore, was is noted that the elastic modulus is a function of the amount of SiC particle On the other hand, the specific strength value of 10 vol% SiC composites demonstrated the great increase portion of 50% compared with composites with 20vol% and 30vol% SiC particle. The specific strength of SiC(sub)(p)/2024 Al composites was found to be greatly influenced by 2024 Al matrix. After hot extrustion, SiC particles became well aligned along the extrusion direction. The optimum extrusion temperature was 500℃ and critical extrusion ratio was 15:1. The influence of high temperature exposure and thermal cycling on the mechanical properties of 2024 Al and SiC(sub)(p)/2024 Al composites have been examined. The tensile strength was decreased with the increase of exposure time and thermal cycling number. Decreasing of the tensile strength of the composites was caused by weakening of the matrix. In the result of high temperature compressive tests, the strain rate sensitivity of SiC(sub)(p)/2024 Al composites was less than that of 2024 Al matrix. The statistical evaluation of strength has been performed in order to predict 2024 Al and SiC(sub)(p)/2024 Al composites reliability. In the case of compocast SiC(sub)(p)/A356 Al composites, it was found that the both tensile strength and elongation of hot extruded composites are much higher than that of as-cast composites. This may be due to the reduction of defects in matrix and the homogeneous distribution of the SiC particles, resulting from reorientation of the particles along the extrusion direction. Statistical evaluation of strength for these composites indicated that the scatter in tensile strength of extruded composites were remarkably decreased compared with the as-compocast composites. In particular, the weibull modulus was remarkably increased by extrusion process. In the case of SiC(sub)(p)/2024Al composites by P/M process, the tensile strength of the composites was increased with volume fraction of SiC particle. However, it was found that the scatter of tensile strength is increased as volume fraction of SiC particles increases. The Weibull modulus of the composites tends to gradually decrease by adding SiC particles into the matrix, exhibiting ductile to brittle fracture mode. The weibull modulus, m, was 25 in the composites with 20 Vol.% SiC particle, 43 in the 2024 matrix, respectively. Hot deformation behavior of 2024 Al and SiC(sub)(p)/2024 Al composites after hot extrustion was investigated in the strain rate range of 1.15×10?? to 1.15×10??/sec and temperature range of 300 to 400℃ by continuous hot deformation. The high temperature softening mechanism of contineous deformation of these materials was dynamic recrystallization and the flow stresses were increased with decreasing test temperature and increasing strain rate. The influence of temperature and strain rate on the flow stress was analyzed constitutive equation for hot deformation of 2024 Al and SiC(sub)(p)/2024 Al composites could be described by hyperbolic sine law. The research contents conducted by the 2nd research team, in this study, because we could not change whisker's fraction of proper amount by squeeze casting method, we studied on the SiC reinforced particle 6061 Al alloy composite which had been manufactured by P/M method able to change volume fraction of second phase freely. Therefore, we studied on the meaha nical properties of 6061 Al composite according to the volume fraction SiC particle through tension test and standard charpy impact test about materials which we compounded SiCparticle which had different volume fraction and 6061 Al alloy powder by hot extrusion, and done T? heat treatment, and then observed crack propagation path which based on the result of tension test and fracture toughness test about materials that we compounded SiC particle of various volume fraction, 5%, 10%, 20%, 30%, and 6061 Al alloy powder by hot extrusion, and done T6 heat treatment(overaged). Fracture surface and side surfaces of specimen are observed by SEM after fracture test, and crack propagation path is observed by optical microcope. And then we examined the fracture mechanism of composite putting together the result above, estimation of crack tip's behavior by X-ray stress measurement and Acoustic Emission result done at static fracture toughness test. Direction of particle distribution was revealed in the 5%, 10%, composite that had low volume fraction. According to the result of analysis of microstructure by optical microscope and SEM, the parts which spherical small particles were partly agglomerated were observed in the materials that had volume fraction of SiC particle composite, 5%, 10%. ON the other hand, coarse particle multilateral shaped and 20 - 30 ㎛ sized are exist in large numbers, as increasing the volume fraction of SiC particle to 20%, 30%. The more volume fraction of particle increase the stronger strength and 0.2% yield strength increase, but if the volume fraction of SiC particles is 30%, elongation ratio is about 2%. Increase of strength due to addition of reinforcements is understood as an effect of dislocations because of difference of matrix metal and thermal expansive coefficient. The strenth due to SiC par ticles reinforce composites is produced following sources. The difference of the thermal expansion coefficients between SiC particle and 6061 Alalloy leads to generate dislocations. These dislocation increased back stress in the localized region specially near the SiC particles beause dislocation density is higer in that region than that in matrix. In the case of high volume fraction of SiC particle dislocation tangles begin to develop and its density is almost same through the matrix. The secondary plastic reigon which surrounds the reinforce particle is overlapped when the volume fraction of SiC particle is high. As increases like 0.05, 0.11, 0.22, and 0.23. Fatigue toughness is dependent on the properties, manufacture condition of composites and matrix. The effect of matrix on fatigue toughess is also dependent on elongation and microstructure resulting from variation of composites distribution, void and segregation degree with manufacture method and condition. -continue-
목차 Contents
- 목차...16
- 1.서 론...17
- 2.연구방법...20
- 3.결과 및 고찰...22
- 4.결 론...28
- 5.참고문헌...31
- 목차...33
- 1.서 론...34
- 2.연구방법...36
- 3.결과 및 고찰...49
- 4.결 론...60
- 5.참고문헌...62
- 목차...101
- 1.서 론...102
- 2.연구방법...104
- 3.결과 및 고찰...106
- 4.결 론...112
- 5.참고문헌...114
- 목차...143
- 1.서 론...144
- 2.이론적 배경...146
- 3.연구방법...155
- 4.결과 및 고찰...168
- 5.결론...227
- 6.참고문헌...229
- 목차...233
- 1.서론...234
- 2.연구방법...236
- 3.결과...239
- 4.고찰...246
- 5.결론...254
- 6.참고문헌...256
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