과시효 처리가 Al-Zn-Mg-Cu 합금의 피로균열 형성 및 전파에 미치는 영향 = Influence of Over-aged Microstructure on Fatigue Crack Initiation and Propagation in Al-Zn-Mg-Cu alloys

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 우수한 항복강도 및 피로물성을 동시에 가지는 항공우주용 고강도 소재를 얻기 위하여 고주기 피로파괴 및 피로균열 성장 시험을 진행하였으며, Al-ZnMg-Cu 합금의 시효 처리로 인한 석출물 조대화가 피로거동에 미치는 영향을 조사하였다. 인공 시효 조건은 아시효(Under aging), 최고경도시효(Peak aging), 이단 시효(Two-step aging)로 분류하였다. 미세조직 분석을 통해 아시효에서 이단 과시효로 시효 처리의 강도가 높아짐에 따라 기지 내 석출물(Matrix precipitate)과 결정립계 석출물(Grain boundary precipitate)이 조대화 되었으며, 무석출 영역(Precipitate-free zone)이 확장되는 경향을 확인하였다. 또한, 시효 처리 강도에 따른 피로물성 비교를 위한 고주기 피로파괴 시험에서 10^7 사이클까지 파단나지 않음을 기준으로 하였으며, 이단시효 합금에서 가장 높은 피로 강도(Stress amplitude)인 123 MPa을 보였다. 이를 체계적으로 분석하기 위해 고주기 피로 거동을 피로균열 형성(Fatigue crack initiation)단계와 피로균열 전파(Fatigue crack propagation)단계로 구분하였다. 주기 소성 영역(Cyclic plastic zone)을 기반으로 분석하였을 때, 석출물의 크기와 부피 분율의 증가가 피로균열 전파 속도를 효과적으로 감소시킴을 확인하였다. 또한, 조대한 석출물로 인한 교차 슬립(Cross-slip)의 활성화는 무석출 영역에서의 국부적 변형(Localized deformation)을 완화하여 피로균열 형성을 지연시켰다. 즉, Al-Zn-Mg-Cu 합금에서 이단 과시효 처리에 의해 유발된 조대한 석출물은 피로물성을 효과적으로 향상시켰다. 이외에도, 피로균열 형성 및 전파 거동에 대한 영향을 체계적으로 분석함으로써, Al-Zn-Mg-Cu 합금의 피로파괴 거동에 대한 정립된 이해를 제공하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study investigated the effects of over-aging treatment on the fatigue behavi or of Al-7.3Zn2.5Mg-1.5Cu alloy through high-cycle fatigue and fatigue crack growt h tests. The artificial aging conditions were categorized into under-aging, peak agin g, and over-aging. Microstructural analysis showed that, as over-aging deepened, matrix precipitates and grain boundary precipitates coarsened, and the precipitate-f ree zones widened. The over-aged alloy exhibited the highest fatigue strength of 1 23.75 MPa at 107 cycles. To understand this systematically, the high cycle fatigue b ehavior was analyzed by separating it into fatigue crack initiation and fatigue crack propagation stage. Analysis based on the cyclic plastic zone model revealed that in creases in precipitate size and volume fraction contributed to a lower Fatigue crack growth rate. Moreover, the activation of cross-slip due to larger precipitates reduce d localized deformation in precipitate free zone, delaying Fatigue crack initiation. T his study systematically distinguishes and analyzes the fatigue crack initiation and f atigue crack propagation behavior resulting from over-aging heat treatment in Al-Z n-Mg-Cu alloys, aiming to provide a foundational understanding for alloy develop ment in the field of high-cycle fatigue.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• II. 이론적 배경
• 1. 알루미늄 및 Al-Zn-Mg-Cu(7000계) 합금 3
• 2. 7000계 합금의 석출거동 4
• 3. 피로파괴에 대한 선행연구 5
• III. 실험방법
• 1. 합금의 화학적 조성 및 열처리 공정 6
• 2. 기계적 물성을 위한 전처리 8
• 3. 미세조직 분석 9
• IV. 결과
• 1. 경도, 전기전도도, 인장물성 11
• 2. 미세조직 15
• 3. 고주기 피로파괴 22
• 4. 피로균열 성장 25
• 5. 고주기 피로파괴 시험편 파면 관찰 28
• 6. 피로균열 성장 시험편 파면 분석 33
• V. 고찰
• 1. 피로균열 성장 시험에 의거한 피로균열 전파 거동 분석 37
• 2. 고주기 피로파괴에 의거한 피로균열 형성 거동 분석 41
• VI. 결론 48
• 참고문헌 49
• Abstract 54