In this study, the high temperature deformation behaviors of 2124Al alloy and silicon carbide particles(SiCp) reinforced Al matrix composites were investigated by means of hot compression test at temperature ranged 400~475℃ under strain rate ranged $10^{-3}-1s^{-1}$. Both materials were made by power metallurgy (PM) process route. The size of 2124Al and SiCp powers used as start materials in this study was 20 ㎛ and 8 ㎛ respectively. The billets of 2124Al and 5,10,20vol% SiCp/2124Al composites were fabricated by hot compression process under a pressure of 90MPa at 570℃ for 10 minutes.
The stress-strain curves of SiCp/2124Al metal matrix composites during high temperature deformation exhibited a peak stress, and then the flow stress decreased gradually into a steady state with increasing the strain. The peak stresses for 2124Al alloy and SiCp/2124Al composite increased with decreasing the temperature and with increasing the strain rate. The dependence of flow stress on temperature and strain rate could be formulated well by a hyperbolic sine relationship using the Zener-Hollomon parameter. Using the normalized Zener-Hollomon parameter (Z/A), which is defined based on the load transfer theory, the effective flow stress on matrix of SiCp/2124Al composite is found to be similar to that of 2124Al alloy.
Optical microscope (OM) and transmission electron microscope (TEM) were used to characterize the evolution of microstructure during the high temperature deformation. It was found that the flow-softening behavior was attributed to the dynamic recovery, local dynamic recrystallization and dynamic precipitation coarsening during the deformation of SiCp/2124Al composites. It was worth noting through the optical microstructure that the grain size in the SiCp rich region is smaller than that in the SiCp poor region, which indicated that the configuration of grain size was affected by the distribution of SiC particles. Quadrat method was used in this study in order to characterize the distribution of SiCp in the composites. The phases of precipitation were identified as S` and S by the analysis of TEM diffraction patterns. As the substructure was developed in a different way dependent on the strain rate, the relationship between the Z-H parameter and subgrain size was analyzed based on the observation of TEM micrographs.
Base on the stress-strain curves, optical microscope and transmission electron microscope analyses, the dynamic recovery (DRV) was identified as the dominant restoration mechanism for high temperature deformation of SiCp/2124Al metal matrix composites. However, under higher strain rate above 0.1/s, the flow softening with increasing strain was due to the local dynamic recrystallization in the SiCp rich region of SiCp/2124Al composites. While, the weak flow softening under lower strain rate(0.001/s) was mainly attributed to the coarsening of precipitate during the high temperature deformation of SiCp/2124Al metal matrix composites.
본 연구는 2124A1과 SiCp 입자강화 A1기지 복합재료를 10-3-10-1s-1의 변형률속도와 400-475℃의 온도범위에서 고온압축시험함으로써 고온변형특성을 연구하였다. 2124A1 기지재료와 SiCp/2124A1 복합재료는 각각 분말야금법으로 제조하였다. 본 연구에서 사용한 2124A1의 크기는 약 20㎛이고, SiCp의 입자크기는 약 8㎛ 였다. 2124A1과 강화재의 부피분율을 5, 10, 20vol%로 변화시킨 SiCp/2124A1 복합재료의 빌렛은 570℃의 온도에서 90MPa로 10분간 가압하여 제조하였다.
고온변형중 SiCp/2124A1 금속복합재료 응력-변형률 곡선은 최대응력을 나타낸 후, 변형률이 증가할수록 유도응력이 점차로 감소하고 정상상태에 도달하였다. 2124A1과 SiCp/2124 복합재료의 최대응력은 온도가 감소할수록, 변형률속도가 증가할수록 증가한다. 온도와 변형률속도에 대한 유동응력의 의존성은 Zener-Hollomon parameter를 사용하여 hyperbolic-sine으로 표시되는 유동방정식으로 정량화할 수 있었다. 응력전달이론에 의해 정의된 표준화된 Zener-Hollomon parameter(Z/A)를 사용했을 경우, SiCp/2124A1 복합재료에 대한 유효응력은 2124A1의 유효응력과 같음을 알 수 있었다.
광학현미경 및 투과전자현미경을 사용하여 고온변형중에 일어나는 미세조직변화를 분석하였다. 가공연화현상은 SiCp/2124A1 복합재료의 고온변형 동안에 발생되는 동적회복, 국부적인 동적 재결정 및 동적 석출물의 성장에 의한 것으로 확인하였다. 광학미세조직 관찰결과 SiCp 가 많은 영역에서의 입자의 크기는 SiCp가 적은 영역보다 작은 것을 알 수 있었다. 이것을 통해 입자의 크기는 SiC 입자의 분포에 의해 영향을 받는 것을 알 수 있었으며, 본 연구에서는 복합재료내에 SiCp 의 분포를 분석하기 위해서 Quadrat 방법을 사용하였다. TEM 회절패턴의 분석결과 석출물상은 S'과 S 상으로 분석되었다. Substructure 가 변형률속도에 따라 변화하기 때문에, TEM 미세조직관찰을 통해 Zener-Hollomon parameter 와 subgrain과의 관계를 분석하였다.
응역-변형률 곡선, 광학사진 및 TEM 분석을 통해 동적회복(DRV)이 SiCp/2124A1 금속복합재료의 고온변형 동안에 일어나는 가장 주요한 회복기구로 판단되었다. 그러나 0.1/s 이상의 변형률속도에서는 가공연화는 SiCp/2124A1 복합재료내의 SiCp가 많은 영역에서는 국부적인 동적재결정에 의한 것으로 분석되었다. 반면에 0.001/s의 낮은 변형률속도에서는 SiCp/2124A1 복합재료의 가공연화현상이 적게 나타나는데, 이는 석출물의 성장에 기인한 것으로 분석되었다.
