전이원소 복합 첨가와 열처리 조건에 따른 Al-6Cu 합금의 미세조직 및 기계적 특성 변화에 관한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study investigates the synergistic effects of combined additions of Cr-Zr and Mn-Zr on the microstructural evolution and mechanical properties of Al-6wt.%Cu alloys to overcome the degradation of mechanical properties at high temperatures. The alloys were designed with solute concentrations below, near, and above their maximum solubility limits and were evaluated under As-cast, T4 (solution treatment followed by natural aging), and T6 (solution treatment followed by artificial aging) conditions. Mechanical testing revealed distinct behaviors depending on the heat treatment conditions. The T4 condition generally exhibited superior hardness and yield strength. X-ray diffraction (XRD) analysis indicated that this high strength in the T4 condition is attributed to lattice distortion caused by supersaturated solute atoms and a decrease in dislocation density. Conversely, the T6 aging treatment led to lattice relaxation similar to pure aluminum but induced a re-accumulation of dislocation density and micro-strain due to coherency strain fields around the precipitates, which effectively hindered dislocation movement. Notably, the Mn-Zr added alloys (MZ series) demonstrated a better balance of strength and ductility compared to the Cr-Zr added alloys (CZ series). Among them, the 4MZ alloy under the T6 condition was identified as the optimal processing route, exhibiting the best balance of properties with a yield strength of 250.5MPa and an elongation of 27.4%. This study aims to provide a guideline for balancing strengthening contributions in transition metal-doped Al-Cu alloys by establishing fundamental data on the correlation between microstructural factors and mechanical behavior, rather than suggesting a single definitive condition. Keywords : Al-Cu alloy, Heat treatment, Mechanical property, Solubility threshold

목차 (Table of Contents)

• List of Tables· ⅲ
• List of Figures ⅳ
• Abstract· ⅵ
• 1. 서론 1
• 1.1 다양한 산업군에서의 경량화 소재의 동향 1
• 1.2 Al-Cu 합금의 연구 동향· 4
• 1.3 연구 목적 6
• 2. 이론적 배경 7
• 2.1 알루미늄 합금의 분류 및 종류· 7
• 2.2 알루미늄 합금 원소 첨가 효과· 9
• 2.3 알루미늄 합금의 열처리 공정· 13
• 2.3.1 용체화 처리 (Solution treatment) 15
• 2.3.2 담금질 (Quenching) 15
• 2.3.3 시효 처리 (Aging treatment) 16
• 2.3.4 어닐링 (Annealing) 16
• 2.4 Al-Cu 합금의 재료학적 특성 18
• 2.4.1 Al-Cu 합금의 석출 경화 거동 18
• 2.4.2 Al-Cu 합금의 재료적 문제점 21
• 3. 연구 목적 및 방법· 22
• 3.1 연구 목적· 22
• 3.1.1 합금 원소 선택 기준 (Criteria for Selection of Alloying Elements) ·· 23
• 3.1.2 열역학적 계산 (Thermodynamic Calculations) 25
• 3.2 Al-Cu 설계합금 제작 방법· 28
• 3.2.1 합금 제작을 위한 주조 방안 28
• 3.2.2 제작된 합금들의 조성 분석· 29
• 3.2.3 시험편 제작 30
• 3.2.4 열처리 조건 30
• 3.2.5 미세구조 분석 방법 32
• 3.2.6 경도 시험 32
• 3.2.7 인장 시험 32
• 4. 결과 및 고찰 33
• 4.1 SEM을 통한 미세구조 변화 분석 33
• 4.1.1 Cr-Zr 첨가 조합의 열처리 및 첨가 함량에 따른 미세구조 변화 33
• 4.1.2 Mn-Zr 첨가 조합의 열처리 및 첨가 함량에 따른 미세구조 변화· 39
• 4.2 XRD 측정을 통한 Al2Cu 상의 첨가 함량 및 열처리에 따른 거동·· 44
• 4.2.1 Cr-Zr 조합의 함량 및 열처리 조건에 따른 XRD 결과 분석 49
• 4.2.2 Mn-Zr 조합의 함량 및 열처리 조건에 따른 XRD 결과 분석 51
• 4.3 첨가 함량 및 열처리 조건에 따른 기계적 특성 변화· 53
• 4.3.1 Cr-Zr 조건의 열처리 조건에 따른 기계적 특성 변화 53
• 4.3.2 Mn-Zr 조건의 열처리 조건에 따른 기계적 특성 변화 58
• 4.4 첨가 함량 및 열처리 조건에 따른 파단면 분석 63
• 5. 결론 65
• 참고문헌· 67
• 초록· 75