주조 알루미늄 합금의 파손분석을 위한 통계-역학적 모델링

Abstract

주조 알루미늄 합금은 경량, 고강도 특성에 따라 일반적으로 자동차 엔진블록, 피스톤 및 실린더 헤드 등에 널리 사용되고 있다. 특히 Al-Si계 합금은 주조성, 마모 저항성 및 열전도성 등으로 인해 전체 주조 알루미늄 합금의 85∼90%를 차지할 정도로 폭넓게 활용되고 있다. 하지만 이와 같은 주조 알루미늄 합금은 주조과정에서 가스공, 수축공, 개재물 등과 같은 결함이 발생하게 되며 이로 인해 기계적 성능 저하를 초래하게 된다. 따라서 이러한 결함을 줄이려는 다양한 기술적 연구가 행해지고 있으나 결함의 완전한 제거는 불가능한 실정이다. 주조 알루미늄 합금의 보다 정확한 파손분석을 위해서는 변형거동에 크게 영향을 미치는 미세조직의 특성이 효과적으로 반영된 통계-역학적 모델 개발이 필요하다. 이를 위해 실제 재료 내부에 비균질하게 존재하는 결함에 따라 불균일한 변형거동을 유발하는 메커니즘 분석이 요구되고 있으며 이를 바탕으로 재료-역학적 상관성이 적절히 반영된 해석 모델 정립이 필요하게 된다. 본 연구는 주조 알루미늄 합금의 파손에 영향을 미치는 핵심 재료 요소로서 기공의 체적분율, 크기 분포 및 형상계수 분포 등의 미세조직 특성을 고찰하였다. 이를 바탕으로 미시적 재료특성이 반영된 통계-역학적 재료거동 해석 모델을 개발하였으며 이를 통해 비균질 재료의 변화와 함께 변형에 따른 변형거동 예측 및 파손분석을 수행하였다.; Cast aluminum alloys are increasingly attractive for a range of applications due to their high strength-to-weight property. Silicon contained aluminum alloys occupying about 85% to 90% of the total cast aluminum products have a good castability, high wear-corrosion resistance, and high thermal conductivity. The mechanical-material properties of cast aluminum alloys are strongly influenced by the presence of casting defects such as gas-driven porosity, shrinkage porosity, and inclusion. Moreover, a non-uniform distribution of voids within the materials may cause inhomogeneous deformation during the deformation. As revealed in experiments, void evolution occurred during the deformation and consequently it was also related to the mechanical performance. In this work, statistical-material model for the heterogeneous microstructure of cast aluminum alloy is presented. The evolutions of distributions of void size and void shape were measured and modeled within the constitutive framework. The spatial variations of distributions of void volume fraction were also quantified and implemented into finite element software to investigate their effects on the deformation-failure processes.