진동 하중을 받는 알루미늄 합금 AA5083의 고온 인장 거동에 대한 실험적 연구

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13307(2023) 이 기사 인용

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450\(^\circ\)C에서 알루미늄 합금 AA5083의 유동 거동은 중첩된 진동 하중이 있거나 없는 준정적 하중 조건에서 조사되었습니다. 샘플은 0.001~0.3s\(^{-1}\) 범위의 일정한 변형률에서 인장 하중을 받게 되었습니다. 필요한 사인파 진동을 생성하도록 고정구가 설계되었으며 매우 민감한 보조 로드 셀과 함께 MTS 인장 시험기에 부착되었습니다. 부과된 진동의 주파수는 5~100Hz 범위였으며 진폭은 0.02~0.5-N 범위였습니다. 진동의 부과는 재료의 변형 거동에 영향을 미치는 것으로 관찰되었습니다. 항복강도와 인장강도는 상대적으로 일정하게 유지되지만, 진동 하중이 가해질 때 총 연신율은 8~23% 더 높습니다. 또한 인장 시편의 게이지 길이에 따른 두께 분포 프로파일을 조사한 결과 진동이 있는 경우 두께 분포가 더 균일한 것으로 관찰되었습니다. 중첩된 진동 하중이 있으면 기존 성형에 비해 파손 전 변형 능력이 향상되고 손상 발생이 지연된다는 결론이 나왔습니다. 이 현상은 유한 요소 솔버 LS-DYNA용으로 개발된 사용자 정의 재료 서브루틴을 활용하여 수행된 일정한 하중 인장 시험을 시뮬레이션하기 위해 추가로 조사되었습니다.

알루미늄 AA5083은 냉간 성형성이 뛰어나고 중간 수준의 초가소성에 도달할 수 있는 비열처리 알루미늄 합금입니다1. 이 합금은 가격이 저렴하고 합리적인 환경 저항성과 우수한 기계적 특성을 갖고 있어 항공우주, 해양 및 자동차 응용 분야에 이상적입니다2.

자동차 및 항공 산업의 부품 및 제품에 대한 높은 수요와 개발로 인해 경량 부품과 향상된 성형 공정에 대한 필요성이 급격히 증가했습니다. 따라서 AA5083과 같은 경량 알루미늄 합금과 다양한 성형 공정을 개선하기 위한 많은 연구가 진행되고 있습니다. 재료가 파손되기 전에 넥킹 없이 높은 온도에서 상당한 소성 변형(연신율 \(> 200\%\))을 보일 때 초소성 거동을 보인다고 합니다3. 초소성 알루미늄 합금의 기계적 특성(연신율, UTS, 최적 성형 온도, 변형 속도 의존성 등)과 미세 구조 특성이 모두 광범위하게 조사되었습니다4,5,6,7,8,9,10. 초가소성을 달성하는 데 필요한 세 가지 주요 측면은 높은 성형 온도(재료 녹는점의 약 절반), 미세하고 안정적인 입자 크기(10 \(\upmu \)m 미만), 낮고 제어된 입자 크기입니다. 변형 속도는 일반적으로 10\(^{-4}\)에서 10\(^{-2}\)s\(^{-1}\) 사이입니다. 이러한 측면의 최적화를 위해 많은 연구가 진행되었으며, Hosseinipour는 최적의 온도와 변형률을 얻기 위해 테스트를 실행하여 450\(^\circ \)C 및 크기 10\(^{-3}\)의 변형률이라는 결론을 내렸습니다. s\(^{-1}\)는 최적의 결과를 얻었습니다11. Yogesha et al.12는 초소성 변형을 위해 고온 및 낮은 변형률 요구 사항의 유사한 조합을 보고했습니다.

특히 흥미로운 것은 발표된 연구에서 AA5083 시트를 초소성 변형시키는 효과와 결과를 보여주었다는 것입니다. 초소성 성형에서 발생하는 심각한 변형은 주로 입자 경계 슬라이딩(GBS)에 의해 발생합니다. 또한, 높은 수준의 입자 경계 슬라이딩에는 추가 수용 변형 메커니즘이 수반되며 기존 GBS 모델은 확산 수용 및 전위 수용 GBS 14의 두 가지 범주로 구분됩니다. 달성할 수 있는 매우 큰 변형에도 불구하고, 초소성 성형이 널리 사용되기 위해서는 산업 부품을 성형하는 데 2~10분 정도의 상당한 시간이 필요합니다15. 이로 인해 특히 자동차 산업에서 성형할 수 있는 부품 수가 제한되어 부품 비용이 크게 증가합니다.