CoCuFeNi 기반 하이엔트로피 합금의 Al과 V 함량 변화에 따른 미세구조 및 기계적 물성에 대한 연구 = Influence of Al and V on the microstructure and mechanical properties of CoCuFeNi high entropy alloys

국문 초록 (Abstract)

최근 차세대 구조용 소재이자 기능성 재료로 주목받고 있는 고엔트로피 합금은 5개 이상의 원소가 비슷한 분율로 구성되어 있기 때문에 높은 구성 엔트로피를 유발하여 금속간화합물을 형성하지 않고 면심입방구조 또는 체 심입방구조의 단상을 형성한다. 단상 구조의 고엔트로피 합금은 연성 혹은 강도 하나의 특성은 매우 우수하지만, 강도와 연성의 조화가 이루어지지 않았기 때문에 최근 강도와 연성의 균형을 맞추기 위해서 Single-phase가 아닌 Multi-phase를 활용하여 다양한 연구가 진행이 되어 왔다. 그중에서 높은 연성의 특성이 있어 제조 및 가공에 유리하다는 장점이 있는 FCC 구 조를 활용한 FCC dual phase에 대한 합금 설계를 진행하였다. 본 연구에서는 원자가전자 농도 및 구성 원소 사이의 혼합엔탈피 값을 활용해 CoCuFeNi 합금을 기반으로 고연성의 FCC dual phase 고엔트로피 합금의 설계를 의도하였다. 첨가 원소는 Al과 V을 선택하여 (CoCuFeNi)92Al 8-xVx (x=0.8, 2.4, 4, 5.6, and 7.2 at%) 고엔트로피 합금을 개발하였으며 모 든 조성에서 FCC 이중상 구조를 나타내었으며 높은 연성과 함께 바나듐의 함량 증가에 따른 항복 강도의 증가를 확인할 수 있었다. 추가로 우수한 연성을 활용하여 기계적 물성이 가장 우수했던 (CoCuFeNi)92Al0.8V7.2 합금에 대해서 압연 공정 및 열처리 공정을 실시하였다. 압연율에 따라 항복강도 는 크게 증가하였으며 연신율은 대폭 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 추 가로 열처리 온도 및 시간에 따른 미세구조 및 기계적 물성의 변화 거동을 확인하였다. 열처리 온도와 시간의 증가함에도 불구하고 FCC dual phase 구조가 유지가 되었으며 FCC1과 FCC2 상의 회복 및 재결정 온도 차이로 인한 강도가 유지되고 연성이 증가하는 구간이 존재하였으며, 이를 활용한 물성 최적화 전략을 제공할 수 있다. 주요어 : 합금 설계, 고엔트로피 합금, 기계적 물성, 미세구조, 변형 거동

목차 (Table of Contents)

• 제 1장 서론 1
• 제 2장 이론적 배경 3
• 2.1 고엔트로피 합금 3
• 2.1.1 고엔트로피 합금의 정의 3
• 2.1.2 고엔트로피 합금의 4가지의 핵심 효과 6
• 2.1.3 고엔트로피 합금의 열역학적 인자 및 조건 10
• 2.1.4 고엔트로피 합금의 분류 15
• 2.1.5 상분리 고엔트로피 합금 21
• 2.2 고엔트로피 합금의 강화기구 24
• 2.2.1 결정립계 강화 24
• 2.2.2 고용체 강화 26
• 2.2.3 가공경화 28
• 2.2.4 석출 강화 29
• 2.3 압연 공정 31
• 2.4 고엔트로피 합금 압연 공정 사례 33
• 제 3장 실험방법 및 과정 35
• 3.1 합금 시편의 제조 35
• 3.1.1 모합금 및 시편 제조 35
• 3.1.2 냉간 압연 및 열처리 공정 38
• 3.2 합금의 특성 평가 40
• 3.2.1 미세구조 및 상 분석 40
• 3.2.1.1 X-선 회절 분석 40
• 3.2.1.2 주사전자현미경 분석 40
• 3.2.1.3 전계방사 주사전자현미경 분석 41
• 3.2.1.4 투과전자현미경 분석 41
• 3.2.1.5 후방산란전자 회절 패턴 분석 42
• 3.3 기계적 물성 평가 43
• 3.3.1 비커스 경도 시험 43
• 3.3.2 나노 압입 시험 43
• 3.3.2.1 비커스 경도 44
• 3.3.2.2 압입 경도 44
• 3.3.2.3 압입 탄성계수 44
• 3.3.3 압축 시험 45
• 3.3.4 인장 시험 45
• 3.4 변형 거동 분석 47
• 3.4.1 파괴된 시편의 전자현미경 분석 47
• 3.4.2 As-cast 상태 및 파괴된 시편의 투과전자현미경 분석 47
• 3.4.3 압연 된 시편의 후방산란전자 회절 패턴 분석 48
• 제 4장 결과 및 고찰 49
• 4.1 (CoCuFeAlNi)92Al8-xVx 고엔트로피 합금 개발 및 미세조직과
• 기계적 물성 분석 49
• 4.1.1 CoCuFeNi 합금 설계 50
• 4.1.2 첨가 원소 및 조성 선택 54
• 4.1.3 합금의 상 및 미세조직 분석 57
• 4.1.3.1 X-선 회절을 통한 분석 57
• 4.1.3.2 주사전자현미경을 통한 분석 60
• 4.1.3.3 전계방사 주사전자현미경을 통한 분석 63
• 4.1.3.4 투과전자현미경을 통한 분석 68
• 4.1.4 합금의 기계적 물성 분석 75
• 4.2 냉간 압연 공정을 통한 (CoCuFeAlNi)92Al0.8V7.2 합금 79
• 4.2.1 합금의 제조 및 연구 방법 79
• 4.2.2 압연율에 따른 (CoCuFeAlNi)92Al0.8V7.2 합금 80
• 4.2.2.1 상 및 미세구조 분석 (XRD, SEM) 80
• 4.2.2.2 기계적 물성 평가 84
• 4.2.2.3 SEM을 통한 파단면 분석 86
• 4.2.3 냉간 압연 후 어닐링 열처리 온도에 따른
• (CoCuFeAlNi)92Al0.8V7.2 합금 88
• 4.2.3.1 상 및 미세구조 분석 (XRD, SEM) 88
• 4.2.3.2 후방산란전자 회절 패턴 분석을 통한 미세조직 분석 · 91
• 4.2.3.3 기계적 물성 평가 95
• 4.2.4 냉간 압연 후 어닐링 열처리 시간에 따른
• (CoCuFeAlNi)92Al0.8V7.2 합금 97
• 4.2.4.1 상 및 미세구조 분석 (SEM, TEM) 97
• 4.2.4.2 기계적 물성 평가 100
• 제 5장 결론 102
• 5.1 (CoCuFeAlNi)92Al8-xVx 고엔트로피 합금의 개발 102
• 5.2 (CoCuFeAlNi)92Al0.8V7.2 고엔트로피 합금의 냉간 압연 후 열처리
• 온도 및 시간에 따른 물성 변화 분석 105
• 제 6장 참고문헌 109
• Abstract 119