알루미늄 첨가에 따른 준안정 타이타늄 합금의 변형 메커니즘과 인장 거동 = Effect of Aluminum Addition on the Deformation Mechanisms and Tensile Behavior of Metastable Titanium Alloys

국문 초록 (Abstract)

β 안정성의 정밀한 제어는 티타늄 합금의 변형 거동을 설계하는 데 있어 핵심적인 요소이다. 그러나 Nb, Mo와 같은 기존의 β-안정화 원소를 다량 첨가하는 방식은 조성 민감도가 크고, 과도한 β 안정화로 인해 변형유기소성(TRIP) 거동이 억제되거나 연성이 저하되는 한계를 가진다. 이러한 한계를 극복하기 위해 본 연구에서는 상대적으로 β 안정화 기여도가 완만한 α-안정화 원소인 Al을 이용하여 β 안정성을 정밀하게 조절하고, 이에 따른 마르텐사이트 변태 거동과 기계적 특성의 변화를 체계적으로 규명하고자 하였다. 이를 위해 Ti–xAl–3.5Fe (x = 4, 6, 8, 10, 12, 14 wt.%) 합금을 설계하였으며, 모든 합금은 어닐링 이후 약 10%의 α상과 β상으로 구성된 이중상 미세조직을 갖도록 제어되었다. Al 함량이 증가함에 따라 β상의 안정성은 점진적으로 증가하였고, 이에 따라 변형 중 마르텐사이트 변태는 단계적으로 억제되었으며, 마르텐사이트의 형태는 α′에서 α″로 전이되었다. 이러한 변화는 Al 첨가에 의해 변태 구동력이 감소하고, 변태 경로가 미세하게 조절되었음을 의미한다. 특히 Al 함량이 12–14 wt.%인 고Al 합금에서는 마르텐사이트 변태의 임계응력이 1 GPa를 초과할 정도로 크게 증가하였음에도 불구하고, 변형 과정 중 나노 크기의 마르텐사이트가 안정적으로 형성되었다. 이 나노 크기 마르텐사이트는 변형 중 지속적인 가공경화를 유도하여, 약 1.4 GPa 수준의 높은 인장강도와 함께 12–16%의 우수한 연신율을 동시에 확보할 수 있게 하였다. 이는 기존의 고강도 Ti 합금에서 일반적으로 관찰되는 강도–연성 상충관계를 효과적으로 극복한 결과이다. 또한 Al 함량에 따른 마르텐사이트 변태 거동, 임계응력의 변화, 그리고 나노 크기 마르텐사이트의 형성 양상은 미세조직 관찰 및 기계적 특성 분석을 통해 정량적으로 상호 연관되어 해석되었다. 이를 통해 Al 첨가가 단순한 고용 강화 효과를 넘어, 변형 메커니즘 자체를 정밀하게 조절하는 중요한 설계 인자임을 확인하였다. 본 연구 결과는 Al 첨가를 이용한 β 안정성의 정밀 제어가 마르텐사이트 변태 메커니즘을 단계적으로 조절할 수 있음을 보여주며, 나노 크기 마르텐사이트에 기반한 새로운 강도–연성 최적화 전략을 제시한다는 점에서 차세대 고성능 Ti 합금 설계를 위한 중요한 설계 지침을 제공한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Precise control of β stability is crucial for tailoring the deformation behavior of titanium alloys. However, controlling β stability through the addition of large amounts of conventional β-stabilizing elements such as Nb and Mo is challenging, because excessive stabilization leads to strong compositional sensitivity and often suppresses transformation-induced plasticity (TRIP), thereby deteriorating ductility.
To overcome these limitations, this study investigates the effects of Al addition—an α-stabilizing element with a moderate contribution to β stability—on the microstructure and mechanical properties of Ti–xAl–3.5Fe (x = 4, 6, 8, 10, 12, and 14 wt.%) alloys exhibiting transformation-induced plasticity (TRIP) behavior. The alloys were designed to exhibit a dual-phase microstructure composed of approximately 10% α and β after annealing, enabling a systematic evaluation of the effect of Al on β-phase stability and martensitic transformation behavior. With increasing Al content, the stability of the β phase was gradually enhanced, which inhibited martensitic transformation and changed the martensite type from α′ to α″. This transition indicates that Al addition continuously reduces the thermodynamic driving force for martensitic transformation and subtly modifies the transformation pathway. With 12–14 wt.% Al, the critical stress for martensitic transformation exceeded 1 GPa, and the alloys exhibited tensile strengths around 1.4 GPa with 12–16% elongation, owing to deformation-induced nano-sized martensite that effectively enhanced the strength–ductility balance. Despite the significantly increased critical stress, the stable formation of nanoscale martensite during deformation provided sustained work hardening, allowing the alloys to overcome the typical strength–ductility trade-off commonly observed in high-strength Ti alloys. Furthermore, the evolution of martensitic transformation behavior, critical stress, and nanoscale martensite formation with Al content was quantitatively correlated through microstructural characterization and mechanical testing. These results confirm that Al addition plays a critical role not only through conventional solid-solution strengthening, but also as a key design parameter for directly controlling deformation mechanisms. Overall, the present study demonstrates that precise tuning of β stability through Al addition enables stepwise control of martensitic transformation behavior and provides a new alloy design strategy for achieving an exceptional combination of ultra-high strength and excellent ductility in advanced Ti alloys.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 제 2 장 이론적 배경 3
• 2. 1 타이타늄 합금의 변형 유도 강화 기구 3
• 2. 2 타이타늄 합금의 마르텐사이트 변태 거동 9
• 2. 3 타이타늄 합금의 합금원소 효과 11
• 2. 4 타이타늄 합금의 β상에서 형성되는 나노도메인(O) 18
• 제 3 장 실험 방법 21
• 3. 1 합금 제조 및 열처리 21
• 3. 2 미세조직 분석 24
• 3. 3 기계적 특성 평가 24
• 3. 4 결정학적 분석 25
• 제 4 장 결과 및 고찰 26
• 4. 1 상 변화 분석 26
• 4. 2 미세조직 관찰 28
• 4. 3 인장 거동과 특성 분석 33
• 4. 4 결정학적 메커니즘 고찰 49
• 4. 4. 1 나노 도메인에 의해 유도된 α 변태 49
• 4. 4. 2 고Al 합금의 높은 임계 응력 52
• 4. 4. 2. 1 β 안정성에 대한 상대적으로 낮은 기여도 52
• 4. 4. 2. 2 높은 고용강화 효과 53
• 4. 4. 2. 3 나노 도메인 효과 53
• 4. 4. 3 Al 함량이 TRIP 타이타늄 합금의 인장 거동에 미치는 영향 54
• 제 5 장 결론 60
• 참고문헌 61
• Abstract 64