Zr합금의 재결정에 미치는 Sn, V, Sb의 영향을 조사하기 위해 2원계와 3원계로 구성된 12종의 Zr합금에 대하여 미세 조직 관찰 및 경도 측정을 실시하였다. 고진공 분위기의 여러 온도 조건에서 열처리된 시편의 미세조직을 편광광학현미경으로 관찰하였고 미소경도계로 경도값을 측정하였다. 미세조직 사진을 관찰한 결과 열처리 온도가 올라감에 따라 약 50$0^{\circ}C$ 까지는 가공조직을 그대로 유지하다가 첨가원소에 따라 다소 차이는 있었지만 55$0^{\circ}C$ ~ $700^{\circ}C$ 사이에서 재결정이 완료되었다. 재결정이 일어난 후에는 첨가원소의 첨가량이 적은 합금의 경우 결정립이 급격히 성장하는 모습을 보였다. 온도에 따른 경도값의 측정으로 재결정 거동을 확실히 핑가할 수 있었으며 경도값의 변화와 미세조직 변화는 일치하는 경향을 보였다. 이와 같이 첨가원소가 증가함에 따라 재결정이 늦어지고 결정립이 미세화 되는 것은 첨가원소의 대부분이 석출물로 형성되어 각 합금의 재결정과 결정립 성장을 억제하기 때문이라고 사료된다.
Zr-0.8Sn합금의 재결정에 미치는 V, Sb의 영향을 조사하기 위해 냉간 압연 후 여러 온도 조건에서 열처리된 시편의 미세조직을 편광광학현미경, SEM, TEM으로 관찰하였고 미소경도계로 경도값을 측정하였다. 미세조직을 관찰한 결과 V과 Sb의 첨가에 의해 재결정이 지연되었으며, 재결정 완료 후의 결정립 성장도 억제됨이 관찰되었다. 특히 Sb는 V보다 재결정을 완료하는데 필요한 온도를 상승시키므로 재결정을 지연시키는 효과가 더욱 큰 것으로 생각된다. 이 처럼 첨가원소가 증가함에 따라 재결정에 늦어지고 결정립이 미세화 되는 것은 V이나 Sb 첨가에 의해 형성된 석출물이 전위나 입계의 이동을 방해하기 때문인 것으로 사료된다.
Zr 합금의 재결정 거동 및 미세조직 변화에 미치는 열처리 온도 및 시간의 영향의 조사하기위하여 순수 Zr과 Zircaloy-4, Zr-0.88n-0.4Nb-0.4Fe-0.2Cu, Zr-1Nb 합금을 냉간가공한 후 $400^{\circ}C$~$900^{\circ}C$에서 각각 30분~5000분 동안 열처리하였다. 열처리 온도에 따른 Zr합금의 경도, 미세조직 및 석출물 특성을 미소경도기, 광학 현미경 및 투과 전자 현미경을 이용하여 조사하였다. 냉간 가공채는 $400^{\circ}C$에서 $600^{\circ}C$ 범위에서 재결정이 일어났는 데 합금원소가 증가함에 따라 재결정온도가 상승했고 결정립 성장이 억제되었다. 그리고 합금원소 증가에 따른 경도증가 영향이 재결정 이후에도 지속되었다. 열처리 온도 및 시간에 비례하여 재결정 이후 결정립 크기는 증가한 반면 경도변화는 상대적으로 미미하였다. Fe나 Cu가 Zr에 첨가될 경우 회복중 경도증가가 수반되는데, 이는 회복중 생성과 관련이 있는 것으로 사료된다.
Zr합금의 재결정에 미치는 Sn 영향을 조사하기 위해서 Zr-xSn (x=0.5, 0.8, 1.5, 2.0wt.%) 합금을 판재로 제조하여 $300^{\circ}C-800^{\circ}C$에서 1시간 동안 열처리하였다. 열처리 온도에 따른 Zr합금의 경도, 미세조직 및 석출물 특성을 미소경도계, 광학 현미경 및 투과 전자 현미경을 이용하여 조사하였다. 냉간가공된 Zr-xSn 합금은 회복, 재결정, 결정립 성장의 전형적인 거동을 나타냈으며, 냉간가공재의 재결정은 $500^{\circ}C$에서 $700^{\circ}C$ 범위에서 완료되었다. Sn량이 증가함에 따라서 합금의 재결정온도는 증가하였고 재결정후의 결정립 크기는 감소하였다. 경도 변화는 미세조직 변화와 잘 일치하는 경향을 보였다. 실험 결과로부터 냉간 가공된 Zr합금의 재결정은 아결정립의 합체 및 성장기구에 의해서 일어나는 것으로 평가되었다.
각 스탠드 유한요소해석 결과인 기계적-열적 변수들을 이용하여 재결정계산을 한다. 이때 온도변화를 정확히 반영하기 위해 재결정부피율 계산과 결정성장 계산에 additivity rule을 도입하였다. 또한 여러단계의 압연공정 각각에서의 재결정거동을 계속 추적하기 위해 또한 이때의 재결정의 영향을 재료유동에 반영하기 위해 substructure의 개념을 도입하였다. 이러한 과정을 거쳐 7패스후의 최종 두께방향으로의 결정크기분포를 얻을 수 있다. 본 연구 에서는 이때의 최종결정크기 분포를 균일화 시킬 수 있는 공정을 유전 알고리즘을 이용하여 찾아보았다.
기존의 소성가공공정에서의 미세조직 예측 기술은 온도 및 외력에 의한 금속학적 변화를 모사하기 위해 다수의 실험에 기반한 경험적 모델링 작업이 요구되고 이를 구현할 수 있는 기계 및 재료적 지식 기반이 동시에 요구되기 때문에 현재까지는 신뢰성을 갖는모델 및 수치해석기술은 충분히 확보되지 못한 상태이다. 이러한 미세조직 예측기술의 정확도를 향상시키고자 하는 일환으로, 최근에는 매크로 스케일의 FE 해석과의 결합을 통해 소성가공공정과 이후의 열처리 공정에서의 정적 재결정 동적 재결정 상변태 변형유기변태 등 복잡한 미세조직 현상을 그 변화가 일어나는 실제 메조 스케일에서 예측하고자 하는 연구가 시도되고 있다. 본고에서는 그 중에서도 소성가공에서 발생하는 재결정 거동 예측에 주로 적용되고 있는 데조스케일 해석 기법과 매크로-메조 다단위 스케일 해석 기법의 국내외 연구 현황에 대해 알아보고자 한다. 또한, 이를 이용한 소성가공공정에서의 미세조직 예측 사례와 미세조직 예측기술의 전망에 대해 기술하고자 한다.
북중부 메사추세츠 주에 위치하는 리틀톤 층에 분포하는 십자석대, 남정석대, 규선석대에서 산출되는 십자석은 아카디안 조산운동의 바로비안(Barrovian) 형태의 변성작용에 의해 생성된 것으로 알려져 있다. 그러나 세 변성대에서 십자석은 (1) 반상변정, (2) 조립질 백운모로 치환된 가상, (3) 가상 내부와 석류석 결정 외각부에서 재결정된 십자석 등으로 다양한 형태로 산출되기 때문에, 이들은 다변성작용에 의해 형성된 것임을 지시하고, 또한 십자석의 형성은 전암성분의 차이와 온도-압력 조건의 변화에 따라 녹니석 또는 경녹니석의 소멸에 의해 형성될 수 있다. THERMOCALC 프로그램을 이용하여 MnNCKFMASH 계에서 계산된 십자석 modal proportion은 십자석이 녹니석과 공존한다면, 온도-압력이 증가하면서 석류석과 같이 성장할 수 있다 그러나 녹니석이 소멸된 후, 흑운모와 공존하면, 십자석의 modal proportion은 온도-압력이 증가하면 감소한다. 따라서 기존의 아카디안 변성작용의 온도-압력시간 경로에 의하면. 십자석 반상변정은 석류석과 같이 약 400-370Ma 시기에 형성된 것으로 판단된다. 방향성이 없고 조립질 백운모에 의해 부분적으로 또는 완전히 치환된 십자석 가상은 온도의 상승에 의해 (즉, 남정석 또는 규선석의 형성) 형성될 수 있다. 따라서 연구지역의 십자석 가상화작용은 아카디안 변성작용을 중첩한 알레게니안 전단운동(약 320-300 Ma)에 의해 국부적으로 발생한 온도의 상승으로 인해 발생한 것으로 판단된다 규선석대에서만 관찰된 석류석 결정 외각부에서 재결정된 십자석과 십자석을 치환한 조립질 백운모 견정 사이에 재결정된 십자석은 알레게니안 최고 온도 조건(약 $700^{\circ}C$)후 온도-압력이 감소하는 동안(약 300-280 Ma)재결정된 것으로 판단된다.
전분, 단백질, 지방, 당류 등의 복잡한 다성분계로 구성된 전분질식품의 노화를 억제하기 위한 기초자료를 얻기 위해 전체 수분함량 50%의 동일한 조건에서 밀전분과 sucrose와 글루텐을 모델계로 하여 전분의 유리전이와 호화 및 노화현상을 연구하였다. Sucrose나 글루텐은 밀전분에 대한 첨가비율이 증가함에 따라 밀전분의 유리전이온도($T_G$)를 감소시켰으며 sucrose는 밀전분의 호화온도($T_G$)와 호화엔탈피값(${\Delta}H_G$)을 증가시켰다. 글루텐을 포함한 시료들은 글루텐을 포함하지 않은 시료들보다 낮은 $T_G$와 ${\triangle}H_G$값을 나타내었다. 저장온도 $4^{\circ}C$에서 4주간 저장한 밀전분겔 시료들 중 sucrose와 글루텐을 포함하지 않는 밀전분겔은 4주의 저장기간 동안 재결정이 계속된 반면 밀전분-sucrose계와 밀전분-sucrose-글루텐계는 1주의 저장기간에 거의 재결정이 완료되었다. 저장온도 $32^{\circ}C$에서 모든 전분겔 시료들은 저장기간 1주의 저장기간에서 재결정 발생속도가 컸으며 4주의 저장기간까지 느린 속도이지만 계속적으로 재결정이 발생하였으며 밀전분에 대해 sucrose와 글루텐의 첨가비가 가장 높았던 1 :0.5 :0.12의 밀전분-sucrose-글루텐계의 노화된 정도가 가장 적었다. DSC로 측정한 노화의 결과들은 폴리머재결정원리에서의 결정의 핵형성율과 핵성장율이 노화 endotherm의 peak 폭(${\delta}T$)과 peak온도($T_R$)로 전환된다는 실험적 결과로부터 노화에 대한 해석이 가능하였다.
고온 압축 시험을 이용하여 열간 단조용 비조질강의 고온 변형 거동을 온도, 변형률속도, 합금원소에 따라 조사하였다. 고온 압축 시험에서 얻은 유동 응력 곡선의 형태와 조직관찰로부터 고온 변형 기구는 동적 재결정임을 알 수 있었다. 최대응력에 이르는 변형률은 온도가 증가할수록 작아지고 변형률속도가 빠를수록 크게 나타났다. Nb-V-Mo강은 Nb-V강에 비하여 최대응력은 증가하였으나 동적 재결정은 빨라졌다. 1.2Mn-0.09Nb강은 1.0Mn-0.05Nb강에 비하여 최대응력은 증가하였으나 동적재결정은 지연되었다. C-Nb-V강은 C강에 비하여 최대응력이 증가하였으며 동적 재결정은 지연되었다. 열간변형에 대한 구성방정식은 멱수법칙의 형태를 가졌다. Zener-Hollomon 파라미터가 증가할수록 동적 재결정립은 미세해졌고, 동적 재결정립과 Zener-Hollomon 파라미터와의 관계는 멱수법칙으로 정량화할 수 있었다.
Zr-Sn-Nb 합금의 재결정에 미치는 Nb과 Sn의 첨가영향을 연구하기 위해 냉간압연한 시편을 $300^{\circ}C$~75$0^{\circ}C$의 온도구간에서 열처리한 후에 미소경도와 TEP (Thermoelectric Power)를 측정하여 재결정 거동을 조사하였으며 광학현미경, 주사전자 현미경 (SEM), 투과전자현미경 (TEM)으로 미세조직을 관찰하였다 미소경도 및 미세조직의 분석 결과에 따르면, Nb과 Sn의 첨가에 의해 재결정 활성화 에너지가 증가하여 재결정이 지연되었으며, 재결정 완료 이후의 결정립 성장도 억제되었음을 관찰하였다. Zr내의 고용도가 매우 낮은 Nb의 첨가는 석출물을 쉽게 형성하는 반면에 고용도가 비교적 큰 Sn은 기지상 내에 대부분 고용되어 석출물의 양이 매우 작았으나, Sn 첨가에 의한 재결정의 지연 효과가 더욱 컸다. Nb보다 Sn의 첨가가 Zr 합금의 재결정 거동을 효과적으로 지연시킨 것은 고용도가 높은 SR에 의한 치환형 고용체 형성과정에서 발생된 응력장이 전위의 이동을 효과적으로 억제했기 때문으로 생각된다. 한편, 회복과 재결정이 진행됨에 따라 전자 산란인자의 감소로 TEP는 증가하였으며, 재결정이 완료되면 TEP의 포화가 발생하였다. 석출물의 형성은 석출물 주변의 용질농도 감소로 인한 전자 산란인자의 감소에 기인하여 TEP의 증가를 가져왔다
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[게시일 2004년 10월 1일]
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