[금속재료공학실험]Al 6061합금의 시효경화에 의한 인장 강도 및 경도의 변화

실험 이론 및 원리

1. 실험 개요
최근 자동차 경량화 재료로 각광을 받고 있는 알루미늄 합금의 주요 합금인 Al 6061 합금 판재시편을 이용하여 고용체 처리 후 시효경화에 의한 석출강화 현상을 확인하고자 한다. 이를 위하여 어닐링 온도를 변화시키면서 각 시간마다의 경도를 확인하여 가장 경도가 낮은 조건과 가장 경도가 높은 조건에서 인장 시험편을 채취하여 인장과 경도와의 관계를 조사한다. 또한 인장강도 혹은 연신율 측면에서의 최적의 열처리 조건을 도출한다.

 

실험 기구 및 장치

1. 실험 재료

1) 시편 : 용체화 처리된 두께 1, 4 ㎜ Al 6061 coupon (4 ㎜: 경도 시험용, 1 ㎜: 인장 시험용)

2) 가는 줄

3) 시험기기 : 로크웰 경도기, 열처리로, 소형 인장시험기

 

실험 방법

1. 실험 과정

① 시편준비: 두께 1,4 ㎜의 Al6061 합금(용체화처리 : 530℃, 1시간)을 준비하고 경도 시험을 하기 위한 적절한 크기로 절단한다. 시편의 절단면 끝을 평평하게 만들기 위해 가는 줄로 갈아준다.

② 열처리: 두께 4 ㎜ 시험편을 시효처리 온도를 고정하고 다양한 시효시간에서 열처리 후 수냉시켜 각 조건에서 열처리한 시험편의 경도를 측정한다.

Al 합금의 종류	용체화 처리	시효처리 온도	시효 시간
Al 6061 합금	530℃, 1시간	200℃	최소 10 분 -최대 6 시간으로 간격은 실험자가 임의로 조정하여 총 7 조건 (용체화 처리된 조건, 6시간 시험편 포함)에서 실시. 12시간, 24시간 경도 데이터 추가

③ 경도 측정: 로크웰 경도계를 이용하여 열처리한 시험편의 경도를 각각의 조건에 대하여 3번을 측정하여 평균값을 구한다.

④ 인장시험편 채취: 소형 프레스를 이용하여 두께 1 ㎜의 용체화 처리된 시험편을 3개를 제작한다.

 

⑤ 인장 시험편 열처리: 제작된 4개의 인장 시험편 중 하나는 용체화 처리 조건에 해당하며(미리 공통으로 데티어 제공) 나머지는 용체화 처리를 제외한 가장 경도가 낮은, 중간 정도, 다른 하나는 가장 경도가 높은 열처리 조건으로 열처리하여 준비한다.

⑥ 인장 시험편 표점거리 표시: 열처리된 인장 시험편에 가는 연필 혹은 날카로운 marker로 표점거리(8㎜)를 표시한다.

⑦ 인장시험: 소형 인장 시험기를 이용하여 4가지 열처리 조건으로 제작된 인장 시험편에 대하여 시험을 실시한다.

 

실험 결과

1. 경도 시험

표1. 로크웰 경도계를 이용한 Al 6061의 경도측정

시편	어닐링	경도1	경도2	경도 3	경도 4	평균
Al 6061 용체화:530℃/ 1hr   압입자 스케일:C 압입하중:150kg 하중시간: 30초이내	용체화(0분)	46.75	48.5	48.5		47.9
	30 분	44	45.5	44.6	45.4	44.9
	90 분	42.5	43	42.5	42.4	42.6
	150 분	132.5	135	135.5	136	134.8
	210 분	97.5	105	94.5	97.5	98.6
	240 분	139.5	141.5	139	141	140.3
	6 시간
	12 시간	60.5	60.5	61		60.7
	24 시간	58	58	58.5		58.2

 

2. 인장 시험

표 2. Al 6061의 인장 실험 결과치

시편 열처리 조건	시효시간(분)	인장강도(MPa)	항복강도(MPa)	연신율(%)
용체화(데이터제공)	0	320.3	175.5	31.3
경도 최소값 조건	90	690.5	365	40
경도 중간 조건
경도 최대값 조건	240	709.5	500	35

 

3. 각 시험편별 응력-변형률 선도를 Excel로 작성하시오.(비교를 위하여 하나의 그래프에 용체화 포함하여 함께 작성.

① 용체화 처리 그래프

② 시효시간 90분

③ 시효시간 240분

토의 사항

1. 실험 고찰

1) 시효시간에 따른 경도 변화를 그래프로 나타내고 이 결과가 의미하는 내용을 서술하시오

시효시간에 따라서 경도가 변한다는 것을 알 수 있다. 우리 실험결과에서는 90분에서 경도가 제일 낮게 나왔고, 240분에 경도가 제일 높게 나왔다. 210분에서 중간의 경도를 가지고 있다.

 

2) 인장 실험 데이터와 경도 실험과의 연관성을 그래프로 표현하고(경도-인장강도, 경도-항복 강도, 경도-연신율) 이 결과가 의미하는 내용을 서술하시오.

※ 경도-인장강도

※ 경도-항복강도

※ 경도-연신율

경도-인장강도와 경도-항복강도의 그래프는 매우 유사하다는 것을 느꼈다. 그래서 항복강도와 인장강도는 경도에 비슷한 영향을 미친다고 생각이 든다.

경도-연신율 그래프는 경도-인장강도, 경도-항복강도와 다르게 시효처리 시간순서대로 나열이 안 되고 시효처리 240분이 가운데에 있다.

 

3) 인장실험의 항복강도(혹은 인장강도)-연신율과의 연관성을 그래프로 표현하고 이 결과가 의미하는 내용을 서술하시오

※ 항복 강도-연신율 그래프

※ 인장 강도-연신율 그래프

 

항복강도-연신율 그래프에서 항복강도가 높은 순대로 연신율이 순서대로 낮아지는 것은 아니고, 항복강도는 시효처리 시간이 낮아지는 순서로 낮아진다.

 

4) 인장강도 측면에서의 가장 최적의 열처리 조건을 제시하며 기타 실험 결과에 관하여 서술하시오

경도가 가장 높은 조건일 때 열처리를 하였을 때 인장강도가 가장 높게나왔으므로, 시효처리를 240분 하였을 때가 가장 최적의 열처리 조건이라고 생각한다.