Ti-6Al-4V, a typical alpha+beta titanium alloy, has been employed as an armor material since 1970s and as warhead cases of missile system since 1990s due to the superior dynamic deformation properties to steel or other structural alloys. Due to the close relationship between mechanical properties and microstructures of this alloy, extensive and intensive investigations have been performed previously on the effect of microstructures on the mechanical properties under the quasi-static deformation condition. However the relationship between microstructure and dynamic deformation properties is not clearly understood until now. The objective of the present research is to investigate the effect of the microstructures on the dynamic deformation behaviors of Ti-6Al-4V alloy.
To control the microstructure (the size of alpha globule) of this alloy, non isothermal multi-step forging process was devised. The globularization behaviors of initial lamellar structures during the devised forging process were investigated. The samples with either a thin (~1μm) or thick (~8μm) lamellar structure were forged repeatedly at different forging temperatures of 940℃ and 900℃, and the microstructural changes after non-isothermal multi-step forging were analyzed with respect to globularization of lamellae.
Globularization of the samples by forging at 900℃ with both initially thin and thick lamellar structures was less effective compared to that by forging at 940℃. A quantitative microstructural analysis revealed that, in addition to the initial microstructure and forging start temperature, globularization of alpha lamellae was significantly affected by the instantaneous microstructural development by thermal fluctuation during non-isothermal multi-step forging.
Specimens of equiaxed and bimodal microstructures having different alpha globule sizes and fractions were prepared by devised thermo-mechanical treatment. The compression tests at quasi-static deformation condition $(strain rate of \sim2\times10^{-3}/s)$ and at dynamic deformation condition (strain rate range of 2800~5200/s) were performed. The deformation and fracture behaviors were investigated with respect to the effect of size and fractions of alpha globules in Ti-6Al-4V alloy.
The quasi-static compression test results of the equiaxed structure specimens having different alpha globule size, average size of which varied from 5 to 15㎛, showed that as the size of alpha globule decreased, the compressive yield strength increased in accord with the Hall-Petch relation. The difference in the yield strength between specimens of smallest and largest alpha globules was ~5% of yield strength. In dynamic compression test, flow stress also varied with alpha globule size according to the Hall-Petch relation also, but as the strain rate increased, the dependence of flow stress on alpha grain size decreased. In addition, strain hardening exponent (n) and variation of n with strain rate were not changed by alpha globule sizes in dynamic deformation.
The flow stress-strain curves exhibited maximum flow stress followed by flow softening until fracture both in quasi-static and dynamic compression. However, the flow stress decrements beyond maximum flow stress were ascribed to the unstable plastic deformation by micro-cracks in quasi-static deformation, while by adiabatic shear band (ASB) in dynamic deformation. The strains at which ASB initiated were nearly same regardless of alpha grain size or strain rate in dynamic compression.
In bimodal structures, alpha globule size did not affect the deformation behaviors significantly both in quasi-static and dynamic deformation conditions. Meanwhile the deformation behaviors changed significantly by the fraction of alpha globule or lamellae. At quasi-static deformation, bimodal structure exhibited higher flow stresses than equiaxed structure of similar alpha content (alpha globule size). As the lamellar fraction increased, flow stress increased while strain hardening exponent (n) decreased linearly with the lamellar fractions. At dynamic deformation, as the lamellar fraction increased, flow stress increased while strain rate hardening rate (R) and strains at which adiabatic shear band initiated decreased.
The equiaxed structure and bimodal structure having ~44% lamellar fraction were considered to be more favorable microstructure in dynamic deformation condition than bimodal structures of higher lamellar fraction or fully lamella structures due to the higher resistance to the initiation of adiabatic shear band.
본 연구에서는 경량 고강도 구조용 소재와 방탄 및 탄두용 소재로 적용되는 Ti-6Al-4V 합금에 대해 가공 열처리 공정을 이용하여 미세조직을 제어하고, 이를 통해 미세조직이 정적/동적변형 특성에 미치는 영향을 연구하였다. 본 연구에서 수행된 연구내용과 주요 결과를 요약하면 다음과 같다.
1. 비등온 열간가공에서의 Ti-6Al-4V합금 층상조직의 구상화 거동 연구
Ti-6Al-4V 합금의 미세조직 제어를 위해 먼저 층상조직의 Ti-6Al-4V 합금을 열간가공시 발생하는 구상화 거동을 분석하였다.
두께 1㎛의 얇은 라멜라와 8㎛의 두꺼운 라멜라로 이루어진 층상조직을 갖는 Ti-6Al-4V 합금에 대해 실제 생산공정과 유사한 비등온 다단계 열간가공을 실시할 때, 초기 라멜라 두께 및 열간가공 온도에 따라 발생하는 미세조직 변화와 구상화 거동을 분석하였다. 그 결과 알파 라멜라의 구상화는 항온 압축과 달리 열간가공에서의 반복적인 가열 및 냉각에 의한 미세조직 변화에 큰 영향을 받는 것으로 나타났다.
다단계 열간 가공에서는 초기 라멜라의 두께와 열간 가공 온도에 따라 구상화 거동이 다양하게 변화하였다. 열간가공 온도가 높은 경우 (940℃)에는 초기 얇은 라멜라 조직의 시편은 등축정 알파상이 균일하게 분포하는 미세조직으로, 초기 두꺼운 라멜라 조직의 시편은 높은 L/D비를 갖는 연신된 알파상 입자들로 이루어진 미세조직으로 변화하였다. 한편 열간가공 온도가 낮은 경우 (900℃)에는 초기 얇은 라멜라 조직의 시편은 등축정 알파 입자와 연신된 알파 라멜라의 혼합된 조직을 나타낸 반면, 초기 두꺼운 알파 라멜라 조직의 시편은 가공 후 구상화가 거의 발생하지 않고 심하게 변형된 라멜라로 이루어진 집합영역을 나타내었다. 본 실험에 적용된 비등온 다단계 열간가공 조건에서는 900℃보다 940℃의 가공온도에서 라멜라 조직의 구상화가 효과적으로 이루어졌다.
라멜라 조직으로부터 비등온 다단계 열간가공을 통해 등축정 알파상으로 변화시키기 위해서는 초기에 라멜라의 두께가 미세한 조직을 갖는 소재를 사용해야 한다. 이 때 높은 가공온도 (본 실험의 경우 940℃)에서는 라멜라가 완전히 구상화 되지만, 알파상 입자의 크기가 성장하여 조대한 등축정 알파상의 조직이 얻어진다. 반면 낮은 가공온도 (900℃)에서는 알파 결정립의 조대화가 억제되는 동시에 구상화율도 감소하였다. 따라서 보다 미세한 등축정 알파상으로 완전히 구상화된 미세조직을 얻기 위해서는 가열온도 900℃에서 누적 진변형률 2.4이상이 열간가공이 요구되며, 또한 열간가공 후 추가 구상화 열처리 공정이 필요하다.
2. Ti-6Al-4V 합금의 미세조직 제어 및 기계적 특성 분석
초기 라멜라 두께가 다른 층상조직을 갖는 Ti-6Al-4V 합금에 대한 가공열처리를 실시하여 등축정 조직에서의 알파상 결정립의 크기를 5~15㎛ 범위로 제어하였고, 열처리에 의해 등축정 조직으로부터 혼합조직으로 변화할 때 발생하는 미세조직 변화를 분석하였다. 등축정 조직을 혼합 조직으로 변화하기 위한 열처리에서 냉각 중 발생하는 알파 결정립의 성장 때문에 동일 열처리 온도에서도 초기 입자의 크기에 따라 최종 상분률이 다르게 변화하며 알파 결정립의 크기가 미세할수록 높은 상분률을 나타내었다. 또한 알파 결정립의 크기에 따라 알파상 분률의 감소가 서로 다른 경향으로 나타내는데, 미세한 결정립은 알파상의 입자수가 감소하는 반면, 조대한 결정립에서는 알파 결정립의 입자수 감소 보다는 알파 결정립의 크기가 감소하였다.
알파 결정립 크기를 5~15㎛로 제어한 등축정 조직과, 알파 결정립의 상분률을 56, 36%로 제어한 혼합조직 및 층상조직에 대하여 변형률 속도 2x$10^{-3}/s$의 준정적 압축실험을 실시하였다. 그 결과 등축정 조직에서는 알파 결정립의 크기가 감소하는 경우 Hall-Petch 관계식에 따라 항복응력이 증가하지만, 알파 결정립과 라멜라 상으로 이루어진 혼합조직에서는 알파상 입자의 크기가 항복응력에 큰 영향을 미치지 않았다. 한편 혼합조직에서는 알파 결정립의 크기보다 알파 결정립과 라멜라의 상분률이 Ti-6Al-4V 합금의 기계적 특성에 더 큰 영향을 주는 것으로 나타났다. 혼합조직에서의 항복강도와 가공경화지수 변화는 등축정조직과 층상조직의 사이에서 라멜라 상분률에 따라 선형관계로 변화하였고, 알파상과 라멜라 상의 분률에 따른 혼합 법칙(rule of mixture)의 적용이 가능하였다.
한편 압축변형 실험에서 변형에너지는 알파상 분률에 따라 변화하는 초기 유동응력, 가공경화지수 및 불안정한 소성 변형이 발생하는 임계변형률에 의해 결정되며, 혼합 조직>등축정 조직>층상조직의 순서로 감소하였다.
3. Ti-6Al-4V합금의 동적변형 특성 분석
Ti-6Al-4V 합금에서 알파 결정립의 크기와 라멜라 상분률이 동적변형 거동에 미치는 영향을 파악하기 위해, 알파 결정립의 크기를 제어한 등축정 미세조직과 혼합조직 및 층상조직의 시편에 대해 압축 Hopkinson bar 실험장치를 이용하여 변형률 속도 2800~5200/s에서의 동적 변형실험을 실시하였다.
알파 결정립의 크기를 5~15㎛로 변화시킨 등축정 조직에 대한 동적변형 실험 결과 변형률 속도 2800/s에서는 알파 결정립이 미세할수록 다소 높은 유동응력을 나타내지만, 변형률 속도가 5200/s로 증가함에 따라 결정립 크기에 따른 유동응력의 차이가 감소하였다. 한편 결정립의 크기가 변화할 경우에도 가공경화지수와 가공경화지수의 변형률 속도 민감도 및 단열전단밴드가 발생하는 변형률은 큰 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 따라서 알파 결정립의 크기가 5~15㎛ 범위인 등축정조직에서는 알파결정립의 크기가 동적변형 및 파단거동에 큰 영향을 주지 못함을 파악하였다.
혼합조직에서 동적변형 특성은 알파상 입자의 크기보다 알파상 (또는 라멜라상)의 분률에 더 큰 영향을 받는 것으로 나타났으며, 라멜라 상분률이 증가함에 따라 초기 유동응력이 증가하고 가공경화지수와 변형률속도 경화율은 감소하였다. 한편 라멜라 상으로만 이루어진 층상조직은 등축정 조직과 혼합조직에 비해 높은 초기 유동응력을 나타내지만, 변형률 속도 증가에 따른 유동응력 변화가 가장 작았고, 그 결과 단열전단밴드가 형성되는 임계 변형률이 등축정 조직과 혼합조직에 비해 크게 낮은 것으로 나타났다.
등축정조직, 혼합조직 및 층상조직의 동적 변형실험 결과, 등축정 조직이 혼합조직 및 층상조직에 비해 단열 전단밴드가 형성되는 임계변형률이 높은 값을 나타내었고, 혼합조직에서는 라멜라 상분률이 증가함에 따라 이 임계 변형률이 감소해서 층상조직에서 최저치를 나타내었다. 한편 임계변형률까지의 변형에너지를 비교하면, 라멜라 상분률이 44%인 혼합조직이 등축정조직에 비해 높은 유동응력으로 인해 가장 높은 값을 나타낸 반면, 라멜라 상분률이 증가함에 따라 유동응력은 증가하지만 임계변형률이 감소함에 따라 변형에너지는 감소하였다. 따라서, 변형에너지와 임계변형률을 고려하면 등축정 조직과 라멜라 상분률이 44%인 혼합조직이 더 높은 라멜라 상분률을 갖는 혼합이나 층상조직에 비해 우수한 동적변형 특성을 갖는 것으로 판단된다.
