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Analysis of dynamic elastic properties of SiC/Al metal matrix composites using Resonant Ultrasound Spectroscopy = 초음파공명분광법을 이용한 SiC/Al 금속복합재료의 동적탄성 특성해석
서명 / 저자 Analysis of dynamic elastic properties of SiC/Al metal matrix composites using Resonant Ultrasound Spectroscopy = 초음파공명분광법을 이용한 SiC/Al 금속복합재료의 동적탄성 특성해석 / Hyun-Kyu Jung.
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2000].
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The effects of SiC reinforcement on the elastic constants of SiC/2124 Al composites were investigated by resonant ultrasound spectroscopy (RUS). Orientation distribution function(ODF) and Mori-Tanaka model were useful to get the more reasonable initial estimate which increased the accuracy to chracterize the elastic constants. The effects of microstructural factors of reinforcement, such as volume fraction, size, shape and alignment of SiC reinforcement on elastic moduli were analysed. In order to determine the elastic stiffnesses of 2124 Al materials, the resonance frequencies of a rectangular parallelepiped specimen were measured and compared with the calculated resonance frequencies based on the input data of estimated stiffness of a polycrystalline 2124 Al specimen, dimensions and density. The estimated elastic stiffnesses were determined using its orientation distribution function measured by x-ray diffraction (XRD) and the reported elastic stiffness of aluminum single crystal. Through the comparison of the calculated frequencies with the measured frequencies by resonance ultrasound spectroscopy, accurate elastic stiffnesses have been determined by iteration and convergence processes. As the extrusion ratios increased, there are a little reduction on the elastic constants due to an increased recrystalization during hot extrusion process. The effect of SiC reinforcement on the elastic behavior of $SiC_p$/2124Al metal matrix composites (MMCs) was investigated in an effort to develop a high modulus material. The MMCs were processed by a powder metallurgy technique and their elastic moduli were characterized on the elastic modulus and internal friction by RUS. The elastic constants as well as the inverse Q factor($Q^{-1}$) of internal friction were measured as a function of the volume fraction and size of SiC particles. A new concept of effective aspect ratio which combined the concept of average aspect ratio and the alignment of reinforcement was used to calculate the initial moduli as an input value for minimization code of RUS. The Young's moduli were significantly improved with increasing the volume fraction of SiC particles, however the Poisson's ratios were deceased. The internal friction was not affected with increasing the reinforcement content due to a contrary effect which means that the intrinsic damping of reinforcement could reduce the overall internal friction and the interface/dislocation damping could be increased from the higher content of reinforcement. The increase of particle size exhibited a slight decrease of the Young's modulus and remarkable increase of the shear mode internal friction because of the porosity damping and obstructive movement of large particle size. The effect of SiC whiskers on the elastic stiffnesses was studied to analyze the elastic behavior of SiCw/2124 Al metal matrix composites. The MMCs were processed by powder metallurgy technique as a function of the volume fraction and extrusion ratios. The initial estimates of elastic stiffnesses for the RUS were calculated from the Mori-Tanaka approach using the effective aspect ratios instead of average aspect ratio. Young's moduli were calculated from the measured elastic stiffnesses. The measured elastic stiffnesses indicate that the whisker redistribution induced by the extrusion process increases the anisotropy factor ($C_{33}$/$C_{11}$) in the transversely isotropic symmetry. These results show that the Young's moduli were significantly improved with increasing the volume fraction of SiC whiskers and that the increment of extrusion ratios in SiC/Al composite caused an obvious increase in longitudinal Young's modulus due to the alignment of reinforcement. Particularily there was a small increase of Young's modulus at 70:1 extrusion ratio because the matrix of 70:1 extrusion ratio could be softer from the recrystallization microstructure. The transverse Young's Modulus may not be affected due to the breakage of long whiskers and the redistribution of ellipsoidal particles.

SiC 강화 2124 알루미늄 복합재료에 있어서 강화재의 영향을 초음파공명분광법 (RUS)에 의해 조사하였다. RUS를 적용함에 있어서 시편크기, 질량 및 탄성계수의 초기 추정값이 필요한데, 특히 초기 값은 기지와 강화재의 특성에 근거하여 추정할 수 있는데 기지에 있어서는 ODF를 측정하고 그 결과를 사용하여 다결정 재료의 탄성계수를 계산하였고, 복합재료에 있어서는 Mori-Tanaka 모델을 사용하여 초기값을 구하였다. 보다 정확한 초기값은 탄성계수 측정에 대한 정밀도를 증대시켜준다. 본 연구에 있어서 복합재료의 변수로는 부피분율, 입자크기와 압출비를 고려하여 탄성계수와 내부마찰의 변화를 조사하였다. 기지 재료인 2124 Al 재료의 탄성계수를 결정하기 위하여 장방형 시편의 공명주파수를 측정하였고, 공명주파수 계산에 필요한 시편크기, 밀도와 탄성계수 초기값을 이용 하여 얻어진 결과와 비교하였다. 특히 탄성계수 초기값은 X-선 회절에 의해 측정된 ODF와 단결정 알루미늄에 대한 문헌상의 탄성계수를 사용하여 결정하였다. 정확한 탄성계수는 측정주파수와 계산주파수를 비교하는 반복계산과 수렴과정을 통해 결정되어진다. 압출비가 증가함에 따라 가공경화에 의해 탄성계수의 증가가 기대되었지만 실제는 탄성계수의 변화가 저하되는 경향이 나타나는데 이것은 열간 압출공정 시 전형적인 재결정 구조인 {100}<001>가 발생됨으로 결국 재결정 현상에 기인한 것으로 판단되어진다. SiC 입자강화형 2124 Al 금속복합재료의 탄성거동에 대한 SiC 강화재의 영향은 고탄성 재료 개발을 목적으로 연구되었다. 본 MMC는 분말야금법에 의해 제조되었고 RUS에 의해 탄성계수와 내부마찰을 측정하고 분석하였다. RUS의 입력자료로서 초기탄성계수를 계산하기 위해 강화재의 aspect ratio와 방향성을 동시에 고려한 유효 aspect ratio라는 새로운 개념을 사용하였다. 계산된 영율은 SiC 입자의 부피분율이 증가함에 따라 현저히 증가하는 반면 내부마찰은 거의 변화가 없었다. 그 이유는 강화재 증가에 따른 고유 댐핑(Intrinsic Damping)의 감소와 입자와 전위 댐핑의 증가가 서로 상쇄되는 효과가 나타났기 때문으로 생각된다. 입자크기가 증가함에 따라서는 영율은 약간 저하하고 횡방향 모드(k=4) 내부마찰은 뚜렷한 증가를 나타내고 있는데 그 이유는 기공발생에 의한 댐핑 증가와 입자크기가 큰 입자의 진동운동에 대한 저항이 큰 것으로 판단된다. SiC 휘스커 강화형 2124 Al MMC의 탄성거동을 분석하기 위해 탄성계수에 대한 휘스커의 영향을 조사하였다. 조사 대상 MMC는 부피분율과 압출비 함수로서 분말야금법에 의해 제조되었다. 최종 탄성계수는 RUS에 의해 측정된 주파수와 이론적인 공명주파수와 비교하므로 구하는데, 이때 RUS에 대한 탄성계수 초기값은 유효 aspect ratio를 사용하여 Mori-Tanaka 방법에 의해 계산되었다. 영율은 측정된 탄성계수로부터 계산되고, 이로 알 수 있는 것은 압출공정에 의해 야기된 휘스커 분포로 인해 횡등방성 대칭성에 있어서 이방성 계수($C_{33}$/$C_{11}$)가 압출비 증가에 따라 증가됨을 알 수 있다. 실험결과를 살펴보면 영율은 SiC 휘스커의 부피분율에 따라 증가되는 경향을 보여주고 있다. 압출비 영향은 70:1에서 강화재 효과 보다는 적으나 기지재료의 재결정 효과가 나타나 증가폭이 감소되는 것을 확인할 수 있었다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DMS 00002
형태사항 v, 121 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 정현규
지도교수의 영문표기 : Soon-Hyung Hong
지도교수의 한글표기 : 홍순형
수록잡지명 : "Analysis of anisotropy in elastic constants of SiCp/2124 Al metal matrix composites". Scripta materialia, accepted(vol. , no.), (2000)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 재료공학과,
서지주기 Reference : p. 116-121
주제 Resonant ultrasound spectroscopy
Metal matrix composite
Elastic constants
Aspect ratio
Anisotropy
초음파공명분광법
금속복합재료
탄성계수
형상비
이방성
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