본 소개 내용은 IJMMT에서 발행한 "Effects of Thermomechanical Treatments on the Chemical and Mechanical Properties of Al-Cu Alloy" 의 연구 내용입니다.
1. Overview:
- Title: EFFECTS OF THERMOMECHANICAL TREATMENTS ON THE CHEMICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF Al-Cu Alloy
- Author: Adegbola Adekunle Amos, Olapade Julius, Aderounmu Mudashiru, Salawu Ismaila, Alabi Ismaila, Kareem Mutiu, Omotoyinbo Joseph Ajibade and Olaniran Oladayo
- Publication Year: 2014
- Publishing Journal/Academic Society: International Journal of Materials, Methods and Technologies
- Keywords: Al-9.37Cu, metallography, precipitates, thermomechanical, deformation, INSTRON, over-ageing ductility and Hardnesss
2. Abstracts / Introduction
본 연구에서는 금속 조직학적 검사를 통해 Al-9.37Cu 합금의 개발을 특성화했습니다. Die-Casting 방법으로 주조된 합금은 용체화 처리, 수냉 및 공냉, 그리고 과시효와 같은 일련의 처리를 거쳤습니다. 결과는 Al9.37Cu의 강도가 합금이 압연 및 시효되었을 때 크게 향상되었음을 보여주었습니다. 이는 금속이 항복할 때 전위의 이동을 방해하는 알루미늄 결정립계와 그 근처를 따라 큰 석출물이 성장한 결과였습니다. 그러나 합금이 200°C (500°C) 이상으로 가열되었을 때, 인장 값은 섬유 구조로 특징지어지는 낮은 강화 효과를 갖는 완전히 비간섭성인 평형 정방정계 상의 결과로 감소하는 것으로 관찰되었습니다.
구리는 재료의 강도를 증가시키기 위해 알루미늄 합금의 합금 원소로 사용됩니다. 구리와 알루미늄을 혼합함으로써 순수 알루미늄의 우수한 내식성은 감소하여 합금의 내식성을 낮춥니다. 알루미늄은 순수 금속 형태에서 높은 기계적 강도를 갖지 않으므로 재료의 기계적 강도를 높이기 위해 구리가 합금에 첨가되며, 이는 알루미늄 합금의 내식성을 급격히 감소시킵니다 (Kacer et al 2003). 경량 금속인 알루미늄을 합금할 때 합금 원소의 균일한 분포를 얻는 것이 중요하며, 이는 재료 특성이 전체 시편에서 균질해지도록 합니다. 알루미늄은 구리에 비해 밀도가 낮고 융점이 낮으며, 구리가 용융물에 올바른 방식으로 첨가되지 않으면 알루미늄 합금은 불균일한 구리 분포를 겪을 수 있습니다.
3. Research Background:
Background of the Research Topic:
알루미늄은 수송 산업에서 필수적인 재료입니다. 이는 경량성과 높은 강도의 독특한 조합 때문입니다. 구리는 알루미늄 합금의 강도를 높이는 데 사용되는 주요 합금 원소입니다. 그러나 알루미늄에 구리를 첨가하면 내식성이 저하될 수 있습니다. 따라서 열역학적 처리가 Al-Cu 합금의 화학적 및 기계적 특성에 미치는 영향을 연구하는 것은 매우 중요합니다.
Status of Existing Research:
Huda 2009는 알루미늄에서 구리의 용해도는 공융 온도 (548.20C)에서 5.7 atm %이고, 250oC에서 이 용해도는 0.1에서 0.2 atm % 사이로 떨어진다고 논의했습니다 (Huda 2009). 0.2에서 5.7 atm % Cu 사이에서 두 개의 평형 고체 상태가 나타날 수 있습니다. 고상선 위에서 구리는 100% 용해되며, 온도가 이 온도 이상으로 장기간 유지되면 구리가 고용체로 들어가기 위한 필요한 확산이 허용됩니다. 이 고상선 아래의 온도에서 평형 상태는 고용체 α와 금속간 화합물 상 θ (Al2Cu)로 구성됩니다.
Necessity of the Research:
알루미늄의 약점 중 하나는 순수한 형태에서는 강도가 부족하다는 것입니다 (Adegbola et al, 2013). 이를 해결하고 알루미늄의 낮은 밀도와 경량성을 유지하기 위해 다른 원소가 금속에 첨가되어 전위를 "고정"시켜 연성을 감소시키지만 강도를 증가시킵니다. 이러한 방법으로 일부 알루미늄 합금은 강철만큼 강할 수 있습니다. 다양한 원소를 첨가하면 약간 다른 효과를 얻을 수 있지만 거의 모든 합금이 원래 알루미늄 금속보다 강합니다. 본 연구는 열역학적 노화가 알루미늄 합금에 미치는 영향, 특히 Al-Cu 합금의 기계적 성질과 미세 구조에 미치는 영향을 조사할 필요성을 강조합니다.
4. Research Purpose and Research Questions:
Research Purpose:
본 연구의 목적은 Die-Casting 방법을 사용하여 Al-Cu 합금 재료를 주조하고, 주조된 합금을 열처리하고, 일부 주조 합금 시편을 온간 가공하고, 주조 합금 시편의 기계적 특성을 결정하고, 마지막으로 미세 구조를 검사하는 것입니다. 이는 우수한 내식성, 높은 강도-중량비, 큰 변형률을 견딜 수 있는 대체 비철 합금 제품을 제공하는 것을 목표로 합니다.
Key Research:
본 연구의 핵심 연구 질문은 열역학적 처리가 Al-Cu 합금의 기계적 특성 (인장 강도, 경도) 및 미세 구조에 어떤 영향을 미치는가 입니다. 특히, 다양한 열처리 조건 (용체화 처리, 수냉, 공냉, 시효, 어닐링) 이 Al-Cu 합금의 석출물 형성, 결정립 성장 및 궁극적으로 기계적 성질에 미치는 영향을 조사합니다.
5. Research Methodology
Research Design:
본 연구는 실험적 연구 설계를 채택했습니다. Al-Cu 합금 시편은 Die-Casting 방법으로 주조되었으며, 다양한 열역학적 처리를 거쳤습니다. 그런 다음 처리된 시편의 기계적 특성 및 미세 구조를 특성화하고 비교했습니다.
Data Collection Method:
- Metallography: 금속 조직학적 검사는 합금의 미세 구조를 특성화하기 위해 수행되었습니다.
- Tensile Testing: 인장 강도 테스트는 INSTRON 인장 시험기를 사용하여 수행되었습니다.
- Hardness Testing: 경도 테스트는 Brinell 경도 시험기를 사용하여 수행되었습니다.
- Impact Test: 충격 테스트도 수행되었지만, 데이터 수집 방법 섹션에서 명시적으로 언급되지는 않았지만 결과 및 그림에서 유추할 수 있습니다.
Analysis Method:
수집된 데이터는 다양한 열역학적 처리 조건 하에서 Al-Cu 합금의 기계적 특성 및 미세 구조의 변화를 분석하기 위해 사용되었습니다. 응력-변형률 곡선, 경도 값 및 금속 조직학적 이미지를 비교하여 다양한 처리의 효과를 평가했습니다.
Research Subjects and Scope:
본 연구의 연구 대상은 Al-9.37Cu 합금입니다. 연구 범위는 Die-Casting 방법으로 주조된 Al-9.37Cu 합금 시편에 대한 열역학적 처리의 영향에 중점을 두었습니다. 적용된 열역학적 처리에는 용체화 처리, 수냉, 공냉, 시효 및 어닐링이 포함됩니다.
6. Main Research Results:
Key Research Results:
- Al-9.37Cu 합금의 강도는 압연 및 시효 처리 시 크게 향상되었습니다. 이는 결정립계와 그 근처에서 큰 석출물이 성장하여 전위 이동을 방해하기 때문입니다.
- 합금을 200°C (500°C) 이상으로 가열하면 인장 값이 감소했습니다. 이는 낮은 강화 효과를 갖는 비간섭성 평형 정방정계 상 때문입니다.
- 열역학적 시효 경화는 Al-Cu 합금의 강도를 증가시키는 데 효과적이었습니다. 시효 경화는 석출물 형성을 통해 전위 이동을 방해함으로써 강도를 증가시킵니다.
- 용체화 처리 후 수냉 및 시효 처리된 시편은 높은 강도와 적절한 연성을 나타냈습니다.
- 어닐링 처리된 시편은 연성이 향상되었지만 강도는 감소했습니다.
- 과시효는 결정립 조대화를 유발하고 강도를 감소시켰습니다.
Analysis of presented data:
- Table I: 주조된 Al-Cu 합금의 화학적 분석 결과를 보여줍니다. 합금은 약 9.37%의 구리를 함유하고 있으며, 이는 논문 제목과 일치합니다.
- Fig. 2-5: 다양한 열처리 조건에서 Al-Cu 합금의 응력-변형률 곡선을 보여줍니다. 그림은 열처리 조건이 인장 특성에 미치는 영향을 시각적으로 보여줍니다.
- Fig. 6: 다양한 열처리 조건에서 UTS (Ultimate Tensile Strength)의 변화를 보여주는 막대 그래프입니다. "NORMALISING", "WATER QUENCHED", "AGED", "ANNEALED" 조건에 대한 UTS 값을 비교합니다.
- Fig. 7: 다양한 열처리 조건에서 Hardness (HRB)의 변화를 보여주는 막대 그래프입니다. "NORMALISING", "WATER QUENCHED", "AGED", "ANNEALED" 조건에 대한 경도 값을 비교합니다.
- Fig. 8: 다양한 열처리 공정에서 충격 값 변화를 보여주는 원형 그래프입니다. "Aged 2", "Aged 4", "Aged 6", "Air Quenched", "Annealed", "Water Quenched" 조건에 대한 충격 값 비율을 나타냅니다.
- Fig. 9: 과시효가 다른 열처리 시간 동안 인장 값 (MPa)에 미치는 영향을 보여줍니다.
- Plate X-XV: 다양한 열처리 조건에서 Al-Cu 합금의 미세 구조를 보여주는 금속 조직 사진입니다. 이러한 이미지는 열처리가 미세 구조에 미치는 영향을 시각적으로 보여줍니다.
Figure Name List:
- Fig.1: The Al-9.37%Cu alloy equilibrium phase diagram
- Fig.2: Stress (MPa) - Strain (mm/mm) variation of cast Al-Cu alloy before heat treated.
- Fig.3: Stress (MPa) - Strain (mm/ mm) variation of cast Al-Cu alloy after heat treated and cooled at different medium (Air- Water Quench).
- Fig.4: Stress (MPa) - Strain (mm/mm) variation of cast variation of cast Al-Cu alloy after ageing at different time
- Fig. 5: Stress (MPa) - Strain (mm/mm) Al-Cu alloy after annealled at 350°C for 1hr
- Fig.6: Variation of UTS(MPa) with Heat Treatment
- Fig.7: Variation of Hardness(HRB) with Treatment Processes
- Fig.8:Pie Chart showing impact values variation Heat Treatment Processes
- Fig. 9: The effect of Over-ageing on the Tensile Values (MPa) for different Hours of heat treatment processes
- Plate 1: Aluminium Ingot-98% Al Of 22kg Weight, Plate II: Copper Wire, From Standards Org. Of Nig
- Plate III: Mixing of the two molten metals evenly a pot in the earth furnace
- Plate IV: Pouring of the molten aluminium-copper in alloy into the second hole of die cast mold
- Plate V: Solidified Al-9.37Cu rods
- PlateVI: Aluminum alloy samples loaded inturn inside the Heat treatment oven at Obafemi Awolowo University, Ile-Ife, Nigeria
- Plate VII: Digital Hardness Testing (Brinell Machine Plate VIII:Mounting of Aluminium Alloy Sample under the
- Plate IX: The interface of tensile tests for aged, Air-Quenched, and Water Quenched samples
- Plate X: Aluminum 9.37 Copper alloy as Cast 350°C for o 1 hr. Polarized light , recrystallized grains and bands of unrecrystallized grains (caustic etch)
- Plate XI: Aluminium 9.37Copper Alloy annealed at
- Plate XII:Aluminium 9.37 Cu water -quenched(WQ) at treated 500°C forming an overwhelming precipitates with an intermediate β¹ and a matrix led to a distortion in the a-lattice (Caustic etch) X200°C
- Plate XIII: Aluminium 9.37 Copper alloy Soution heat at 500°C but Air-Quenched. The slow cooling resulted in intragranular and grain boundary precipitation of AlCu alloy with.002Mg(Caustic etch) x200°C
- Plate XIV: Aluminum 9.37Cu Artificially Aged at 200°C for 5hours (Caustic etch )x 200°C
- Plate XV: Aluminium9.37 Copper alloy over aged at 500° (Caustic etch) x200°C
7. Conclusion:
Summary of Key Findings:
본 연구는 Al-9.37Cu 합금의 기계적 특성은 변형, 가열 및 냉각을 포함한 처리에 의해 결정됨을 보여주었습니다. 용체화 처리 후 느린 냉각은 낮은 강도를 나타내어 고강도-중량비가 요구되는 응용 분야에는 적합하지 않습니다. 반면에 500°C에서 용체화 처리, 수냉 및 32°C에서 최대 6시간 시효 경화는 합금에 적절한 강도를 부여하여 자동차 및 장비의 피스톤과 같은 고강도-중량비 응용 분야에 적합하게 만듭니다. 온도를 200°C에서 600°C로 증가시키면 응력 (MPa)이 바람직하지 않게 감소합니다.
Academic Significance of the Study:
본 연구는 Al-Cu 합금의 열역학적 처리에 대한 이해를 높이는 데 기여합니다. 다양한 열처리 조건이 Al-Cu 합금의 미세 구조 및 기계적 특성에 미치는 영향에 대한 체계적인 연구를 제공합니다. 특히, 시효 경화 및 과시효 효과에 대한 연구는 학문적으로 중요한 의미를 갖습니다.
Practical Implications:
본 연구 결과는 Al-Cu 합금의 실제 응용 분야에 대한 중요한 시사점을 제공합니다. 최적의 열처리 공정을 통해 Al-Cu 합금의 강도와 연성을 제어하여 다양한 산업 분야에서 요구하는 특성을 충족시킬 수 있습니다. 특히, 자동차 부품 및 항공 우주 부품과 같이 경량 고강도 재료가 필요한 분야에서 Al-Cu 합금의 활용 가능성을 높입니다.
Limitations of the Study and Areas for Future Research:
논문에 연구의 한계점이나 향후 연구 분야에 대한 명시적인 언급은 없습니다. 하지만, 향후 연구에서는 Al-Cu 합금의 다른 조성, 다른 Die-Casting 조건, 그리고 더 넓은 범위의 열역학적 처리 조건을 탐구하여 결과를 일반화하고 최적화할 수 있을 것입니다. 또한, 피로 특성, 크리프 특성, 내식성과 같은 다른 기계적 및 화학적 특성에 대한 연구도 추가적으로 수행될 수 있습니다.
8. References:
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9. Copyright:
- This material is "Adegbola Adekunle Amos, Olapade Julius, Aderounmu Mudashiru, Salawu Ismaila, Alabi Ismaila, Kareem Mutiu, Omotoyinbo Joseph Ajibade and Olaniran Oladayo"'s paper: Based on "EFFECTS OF THERMOMECHANICAL TREATMENTS ON THE CHEMICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF Al-Cu Alloy".
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