Al6061-T6 평판 시편의 노치 반경과 두께가 파괴 메커니즘에 미치는 영향 = Effect of the notch radius and thickness on fracture mechanism of Al6061-T6 plate specimens

국문 초록 (Abstract)

경량 금속재료인 Al6061-T6은 자동차 및 항공 우주 분야의 구조재료로 많이 사용된다. Al 합금의 파괴는 연성파괴이며 주로 삼축응력상태에서 발생한다. 삼축응력의 크기와 분포는 시편의 노치 반경 및 두께에 따라 변하기 때문에 기계부품의 강도와 수명에 영향을 준다. 노치반경과 평판 두께가 응력 상태, 파괴 모드 및 파괴 위치에 미치는 영향은 구조재료의 연구로서 매우 중요하다.
본 연구에서는 Al6061-T6 합금을 노치 반경(un-notched, L-notched, S-notched)에 따른 소성영역의 분포와 응력삼축도(stress triaxiality) 분포의 차이를 Slip line theory를 통해 계산하였고 노치 반경의 효과를 제시하였다. 시편의 두께가 파괴에 미치는 영향을 해석하기 위해 CCD 카메라를 이용하여 시편의 두께에 따라 파괴 직전까지 인장 방향 (길이 방향), 인장 수직 방향 (폭 방향) 그리고 두께 방향 변형률을 측정하였다.
Slip line theory를 통한 계산 결과, L-notched 시편의 경우는 소성영역이 시편 중심까지 확장된 것으로 나타났고 응력삼축도가 시편 중심에서 가장 높아 파괴가 시편 중심부터 시작한 것으로 예측되었다. 하지만, S-notched 시편의 경우, 소성영역이 시편 중심까지 확장될 수 없었으며 최대 응력삼축도가 노치 선단근처에 가장 높게 나타나 노치 선단근처에서 파괴가 발생 할 것이라 예측되었다.
FEM으로 응력삼축도 분포의 차이를 해석하고 Ellipse criterion를 이용하여 시편 파괴에 미치는 노치 반경의 효과를 예측했다. L-notched 시편이 응력삼축도가 시편 중심에서 가장 높게 나타났고 S-notched 시편은 응력삼축도가 노치 선단근처에 가장 높게 나타났다. 이결과는 Slip line theory로 계산 한 결과와 일치 했다. Ellipse criterion의 계산결과, L-notched와 S-notched 시편이 모두 노치 강화 효과를 나타냈으며 L-notched 시편보다 S-notched 시편이 더 강화효과가 높았다.
시편의 변형률 측정과 Ellipse criterion을 이용하여 시편 파괴에 미치는 노치 두께의 효과를 예측했다. 2D-DIC와 CCD 카메라를 이용한 변형률 측정결과, 두께 4 mm인 시편보다 두께 8 mm인 시편의 인장 파괴 시 두께, 폭 및 인장 방향 실제 변형률이 모두 높았으며 두께 8 mm의 Al6061 평판 시편의 소성 변형이 더 크게 일어났음을 알 수 있다. Ellipse criterion의 계산결과, 두께 4 mm인 시편은 S-notched의 경우 파괴가 노치 선단 근처의 일정 거리에 발생할 것이라 예상되었고 이 결과는 SEM 결과와 일치하였다. 여기서 시편내부의 triaxiality 응력이 파괴를 주도한 것이라 사료된다. L-notched의 경우, 파괴가 시편 내부 중심부터 시작할 것이라 예상했는데 시편 측면부터 파괴가 시작되어 SEM 관찰결과와 상이하였다. L-notched 시편의 파괴위치가 시편내부에 삼축응력뿐만 아니라 표면응력이 파괴를 주도한 것이라 사료된다. 두께 8mm인 시편은 S-notched의 경우 파괴가 노치 선단 근처의 일정 거리에 발생할 것이라 예상되었고 이 결과는 SEM 결과와 일치하였다. 여기서 시편내부의 triaxiality 응력이 파괴를 주도한 것이라 사료된다. L-notched의 경우, 시편내부의 triaxiality 응력이 큰 시편 내부 중심부터 파괴가 시작할 것이라 예상되었고 이 결과는 SEM 결과와 일치하였다.
결론적으로 본 연구를 통해 Al 6061-T6 합금의 소성영역과 응력삼축도 분포를 계산함으로서, 노치반경과 시편 두께가 시편 강화효과와 파괴거동에 미치는 영향을 예측 할 수 있었다.

목차 (Table of Contents)

• 차례 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ i
• LIST OF FIGURES ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ iii
• LIST OF TABLES ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ vii
• 요지 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ viii
• 1. 서론 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 1
• 1.1 연구배경 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 1
• 1.2 연구의 필요성 및 목적 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 5
• 2. 이론 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 6
• 2.1 Slip-line theory ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 6
• 2.2 Ellipse criterion ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 10
• 3. 실험방법 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 12
• 3.1 시험편 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 12
• 3.2 인장실험 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 12
• 3.3 CCD 카메라로 시편의 실제 단면적 측정 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 13
• 3.4 2D-DIC의 원리 및 진변형률 측정 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 13
• 3.5 SEM 관찰 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 15
• 4. 유한요소해석 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 19
• 5. 결과 및 고찰 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 21
• 5.1 Slip-line theory에 의한 소성영역 및 stress triaxiality 분포‧‧‧‧‧ 21
• 5.2 진응력-진변형률 관계 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 23
• 5.2.1 CCD 카메라로 측정한 실제 단면적-시간 곡선 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 23
• 5.2.2 2D-DIC로 측정한 진변형률-시간 곡선 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 23
• 5.2.3 공칭응력-공칭변형률 곡선과 진응력-진변형률 곡선 비교 ‧‧‧‧‧ 24
• 5.3 시편 파괴에 미치는 노치 반경의 효과 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 28
• 5.3.1 FEM에 의한 stress triaxiality 분포 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 28
• 5.3.2 Ellipse criterion에 의한 노치 강화 효과 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 30
• 5.4 시편 파괴에 미치는 두께의 효과 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 32
• 5.4.1 시편의 변형에 대한 두께의 영향 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 32
• 5.4.2 파괴거동의 해석 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 33
• 6. 결론 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 43
• 참고문헌 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 45
• ABSTRACT ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 50