적층결함 에너지에 따른 Cu기반 합금의 TWIP 거동 비교 = Tailoring Stacking Fault Energy to Unveil TWIP Behavior in Cu-Based Alloys

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Cu is an indispensable material for electrical and thermal applications because of its outstanding conductivity. As electronic devices continue to move toward miniaturization and higher integration, however, structural dimensions of Cu-based parts become thinner and smaller. Under such conditions, even when the external load is unchanged, the local stress level can rise, which increases the likelihood of process-induced damage such as localized deformation, cracking, or other manufacturing defects. For this reason, modern Cu components are expected to possess not only high strength to maintain dimensional integrity but also sufficient elongation to secure formability and service reliability. In most metallic systems, strength and ductility tend to counterbalance each other, so improving both properties at the same time is not straightforward. TWIP can be considered an effective approach to address this issue. In FCC metals, a decrease in SFE makes deformation twinning more readily activated, and the resulting twin boundaries impede dislocation glide, which enhances work hardening and supports simultaneous gains in strength and ductility. Prior studies have indicated that alloying Cu with Al can lower SFE and thereby promote deformation twinning, leading to improved mechanical performance. Moreover, Si has often been regarded as a more effective SFE-reducing solute in Cu than Al, whereas Ni typically raises the SFE of Cu and thus tends to inhibit twinning, making dislocation glide the principal carrier of plasticity. Based on this background, the present work prepared Cu–Si, Cu–Al, and Cu–Ni binary alloys and systematically examined how the type and concentration of alloying elements influence deformation mechanisms and tensile properties. In addition, the relationship among SFE modulation, twin activity, and the resulting strength–ductility response was quantitatively assessed to provide practical guidance for designing Cu-based TWIP alloys. Specifically, the influence of alloying-induced SFE changes on plastic deformation behavior and mechanical properties was evaluated through a consistent comparative framework across the three alloy systems. The alloy was cast in a vacuum arc melting furnace, followed by homogenisation heat treatment, cold rolling and annealing to produce plate specimens. Microstructural features were quantitatively characterized using OM, SEM, EBSD, and TEM. Tensile properties were measured at both room temperature and a low temperature condition (–80°C), and the observed stress–strain behavior was interpreted in terms of dominant deformation mechanisms. The experimental results showed that Si and Al additions reduce the SFE of Cu, which increases the propensity for deformation twin nucleation and growth during plastic deformation. This enhanced twin activity strengthens strain hardening and leads to TWIP like behavior where strength and elongation can be improved simultaneously. When compared at similar alloy levels, Cu–Si exhibited a stronger SFE lowering effect than Cu–Al, producing more active twinning and, accordingly, a relatively greater combined improvement in strength and ductility. In contrast, Ni addition increased the SFE of Cu, suppressed deformation twinning, and shifted plastic deformation toward dislocation glide, resulting in a more conventional behavior where strength increases at the expense of ductility. Finally, with decreasing temperature, Cu–Si and Cu–Al alloys displayed a comparable or reduced strain-hardening exponent relative to room temperature, whereas Cu–Ni showed an increased strain-hardening exponent at low temperature, which is attributable to reduced dynamic recovery and cross slip and the consequent accumulation of dislocations.

국문 초록 (Abstract)

Cu는 우수한 전기, 열전도도로 인해 전력 케이블, 전기적 접속부 등 전자 부품에 널리 활용되나, 전자제품의 소형화, 고집적화로 부품 단면이 소형화되면서 동일 하중에서도 작용 응력이 증가하고 제조 공정 중 국부 변형 및 결함 발생 가능성이 커지고 있다. 이에 따라 형상 안정성을 위한 고강도와 공정성, 신뢰성을 위한 높은 연신율이 동시에 요구되지만, 금속 재료는 일반적으로 강도와 연신율 사이의 상쇄(trade-off) 관계를 보여 이를 동시에 확보하기 어렵다. 이러한 한계를 극복하기 위한 접근으로, FCC 금속에서 적층결함에너지(stacking fault energy, SFE) 저하를 통해 변형쌍정(deformation twin)을 활성화하는 TWIP(twinning-induced plasticity) 효과가 강도, 연성 동시 향상을 가능하게 하는 기구로 주목받고 있다. 선행연구에서는 Cu-Al 합금에서 Al 함량 증가에 따른 SFE 감소로 변형쌍정이 활성화되어 강도와 연신율이 동시에 향상될 수 있음이 보고되었다. 특히 Si는 Al보다 Cu의 SFE를 더 효과적으로 낮출 수 있는 원소로 보고되는 반면, Ni은 Cu의 SFE를 증가시켜 변형쌍정을 억제하고 전위 활주가 주요하게 작용한다고 알려져 있다. 따라서 본 연구에서는 Cu–Si, Cu–Al, Cu-Ni 합금을 제작하여 합금원소 종류와 함량 변화에 따른 변형기구 및 기계적 물성 변화를 비교, 평가하고, SFE 제어가 변형쌍정 활성화와 강도–연성 거동에 미치는 상관관계를 정량적으로 고찰함으로써 Cu 기반 TWIP 합금 설계 방향을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 Cu–Si, Cu–Al 및 Cu–Ni 이원합금을 대상으로, 합금원소 첨가에 따른 Cu의 적층결함에너지 변화가 소성변형 기구와 기계적 특성에 미치는 영향을 비교 및 분석하였다. 합금은 진공 아크 용해로로 주조한 후 균질화 열처리, 냉간 압연 및 어닐링을 수행하여 판재 시편을 제조하였으며, 미세조직은 OM/SEM/EBSD/TEM를 통해 정량적으로 평가하였다. 기계적 물성은 상온 및 저온(–80°C) 조건에서 인장시험을 통해 확보하였고, 변형 거동을 변형 기구의 관점에서 해석하였다.
그 결과, Si, Al 첨가는 Cu의 SFE를 감소시켜 소성 변형 중 변형쌍정의 생성과 성장을 촉진하였고, 이에 따른 가공경화 능력의 향상으로 강도와 연신율이 동시에 증가하는 TWIP 거동이 나타났다. 특히 유사한 합금 수준에서 Cu–Si 합금은 Cu–Al 합금보다 SFE 저감 효과가 더 커 변형쌍정 활성화가 더 두드러졌으며, 결과적으로 강도–연신율 동시 향상 효과가 상대적으로 크게 관찰되었다. 반면 Cu–Ni 합금에서는 Ni 첨가가 Cu의 SFE를 증가시켜 변형쌍정이 억제되고 전위 활주가 지배적인 변형기구로 나타났으며, 이에 따라 강도 증가와 연성 저하가 동반되는 전형적인 trade-off 거동을 보였다. Cu–Si 및 Cu–Al 합금은 저온에서 가공경화지수가 상온 대비 유사하거나, 감소하는 경향을 보인 반면, Cu–Ni 합금은 저온에서 동적 회복 및 크로스슬립이 억제되어 전위 축적이 증가함에 따라 가공경화지수가 상온 대비 증가하는 거동을 나타냈다.

목차 (Table of Contents)

• 그림목차 ⅱ
• 표목차 ⅳ
• 국문초록 ⅴ
• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 제 2 장 이론적 배경 3
• 2.1 전위 활주와 변형 쌍정에 따른 가공경화 거동3
• 2.2 SFE와 합금원소에 따른 Cu의 SFE의 변화 4
• 제 3 장 실험 방법 6
• 3.1 합금 제작 6
• 3.2 기계적 물성 및 미세조직 분석 10
• 제 4 장 실험 결과 및 고찰 12
• 4.1 미세조직 분석 12
• 4.2 기계적 물성 분석 29
• 제 5 장 결론 57
• 참고문헌 59
• Abstract 64