7000계열 알루미늄 합금의 2단 인공시효 과정을 고려한 잔류응력 예측에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

알루미늄합금은 높은 비강도 특성으로 항공우주분야에 다양하게 사용되고 있다. 최근 개발되고 있는 항공기 재료로 복합재의 사용량이 상당히 증가했음에도 알루미늄합금의 사용량이 여전히 상당한 비율을 차지하고 있다. 국방산업에서 또한 유도무기 내열용 소재를 제외한 대부분의 부품에는 알루미늄계 합금을 사용하고 있다는 점에서 알루미늄 소재의 특성을 이해하고 설계에 반영하는 것은 중요한 사항 중 하나이다.
항공우주분야에 주로 사용되고 있는 7000계열 알루미늄합금은 열처리를 통해 강도를 확보한다. 열처리 시 급냉 중 발생한 잔류응력은 제품의 기계가공 시 또는 제품의 수명에 영향을 준다. 이러한 이유로 급냉 시 발생하는 잔류응력을 예측하고, 제거하는 방법에 대한 연구가 활발히 진행되어왔다. 기존의 연구결과를 참고할 때 T73 또는 T74와 같은 2단 과시효 기법을 적용할 경우, 30~40% 의 상당한 잔류응력이 완화된다는 것이 실험적으로 입증되었다. 하지만 이러한 원인을 고찰하여 해석에 적용해 잔류응력을 예측한 연구는 매우 드문 실정이다. 따라서 정확한 잔류응력 예측을 위해는 인공시효 처리 시 발생하는 잔류응력 완화 현상에 대한 원인을 고찰하고, 이를 해석할 수 있는 기법을 확보해야 한다.
따라서 본 연구에서는 다음과 같은 현상이 주원인으로 작용하여 인공시효 시 잔류응력의 완화가 발생한다는 것을 고찰하였다.
1. 인공시효 처리 온도로 가열하는 과정에서 발생하는 열 변형률과 온도에 따른 항복강도의 변화의 상호작용으로 인해 잔류응력이 완화 될 수 있다.
2. 고온의 일정 온도에서 장시간 재료를 유지시키는 인공시효 과정에서 재료에 내재하는 잔류응력에 의해 Creep이 발생해 잔류응력이 완화 될 수 있다.
급냉 시 발생하는 잔류응력을 예측하기 위해 상용 유한요소프로그램인 ABAQUS를 사용해 단 방향 열응력 연계해석을 수행했다. 또한 고찰 결과를 해석적으로 적용하기 위해 user subroutine을 구현해 잔류응력 완화를 예측하였고, 이를 실험치와 비교하여 그 타당성을 검증하였다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 관련이론 2
• 2.1. 석출경화 알루미늄 합금의 열처리 2
• 2.1.1. 용체화열처리 4
• 2.1.2. 인공시효 4
• 2.2. 급냉 시 잔류응력의 발생 5
• 2.2.1. 잔류응력의 발생원인 및 영향 5
• 2.2.2. 잔류응력 예측 방법 7
• 2.3. 잔류응력 예방 및 제거 방법 8
• 2.4. 인공시효 시 잔류응력의 완화 9
• 2.4.1. 실험적 연구 결과 9
• 2.4.2. 잔류응력 완화 예측에 관한 기존 연구방법 12
• 2.5. 석출모델 16
• 2.5.1. Shercliff-Ashby process model 16
• 2.5.2. Kampmann and Wagner Numerical model (KWN model) 18
• 3. T7x 2단 인공시효 과정을 포함하는 열처리 시 잔류응력 예측 21
• 3.1. 용체화열처리 시 잔류응력 예측 21
• 3.1.1. 열응력 해석 21
• 3.1.2. 유한요소해석 모델 22
• 3.1.3. 잔류응력 예측 결과 28
• 3.2. T7x 인공시효 처리 시 잔류응력 완화 예측 방법 35
• 3.2.1. 잔류응력 완화 현상의 원인 고찰 35
• 3.2.2. 열응력 해석 및 ABAQUS user subroutine 구현 51
• 3.2.3. KWN model을 이용한 강도예측 방법 54
• 3.2.4. 유한요소해석 조건 68
• 3.3. T7x 인공시효 처리 시 잔류응력 예측 결과 71
• 3.3.1. 검증모델1 : AL7175 링롤재 71
• 3.3.2. 검증모델2 : AL7075 Dogbone Specimen 74
• 4. 결론 78
• 참고문헌 81
• Appendix : ABAQUS CREEP User subroutine fortran code 87