Effect of Cast Microstructure on Fatigue Behaviors of A356 Aluminum Alloy for Automotive Wheel

(1)

자동차휠용 A356 알루미늄 합금의 주조조직이 피로특성에 미치는 영향

송전영·박중철 *· 안용식^†

부경대학교 신소재공학부, *포항산업과학연구원 분석평가본부

Effect of Cast Microstructure on Fatigue Behaviors of A356 Aluminum Alloy for Automotive Wheel

Jeon-Young Song, Joong-Cheol Park*, and Yong-Sik Ahn^†

Dept. of Materials Sci. & Eng., Pukyong National University, Busan 608-739, Korea

*Research Institute of Science & Technology, PoHang, Korea

Abstract

Recently, automotive industry is attempting to replace steels for automotive parts with light-weight alloys such as aluminum alloy, because of the growing environmental regulations governing exhaust gas and the engine effectiveness of a vehicle. The low cycle fatigue (LCF) and high cycle fatigue (HCF) properties as well as the microstructure and tensile property were investigated on the low pressure cast A356 aluminum alloy wheel, which was followed by T6 heat treatment. The cast microstructure of the alloy influenced significantly on the low cycle and high cycle fatigue behaviors. The rim part of cast aluminum alloy wheel showed higher low cycle and high cycle fatigue strength compared with the spoke part, which should be caused by higher cooling rate of rim part. The spoke part of the wheel showed coarser dendrite arm spacing (DAS) and wide eutectic zone in the microstructure, which resulted in the partial brittle fracture and lower fatigue life time.

Key words :

Aluminium alloy, High cycle fatigue, Low cycle fatigue, Cast microstructure.

(Received January 12, 2010 ; Accepted January 25, 2010)

1. 서 론

최근지구온난화의원인으로대두되고있는

CO

2 가스배출 량을줄이려는움직임이대대적으로일어나고있으며각종 환 경규제도엄격해지고있다

.

자동차에서배출되는배기가스에 의한환경오염및지구온난화억제를위한각종규제에대응 하기위하여 자동차부품의경량화를위한연구가활발히진행

되고있다

[1].

자동차부품용소재로알루미늄합금의사용은 고

장력강

,

마그네슘합금

,

탄소섬유강화수지등과함께사용이 증 가하고있으며

,

경량화의수단으로점차확대되어가고있다

.

알루미늄합금은승용차에서동력전달계

,

서스펜션계

,

샤시등에 서 폭넓게사용되고 있으며점차적으로하중의부담이적은 부품부터철에서알루미늄합금으로대체되고있다

[2].

현재국 내에서는자동차의핵심부품에서부터기본적인부품에이르기까 지 적용가능한알루미늄합금에대한기본적물성이나 기초 데이터가 부족한실정이다

.

본연구에서는 저압주조법

(low pressure casting)

으로제작된승용차용 휠

A356

합금을사용하 여미세조직및인장특성을조사하였으며

,

이러한미세조직과 인장특성이 고주기피로

(High cycle fatigue, HCF)

및저주기 피로

(Low cycle fatigue, LCF)

의수명과가지는상관관계등에

대해 조사하였다

. 2. 실험 방법

2.1 시험소재와 기공률 측정

본연구에서는주조알루미늄합금

A356

으로생산된승용차용 휠의

rim

부와

spoke

부에서시험편을채취하였다

. Fig. 1

은 알루미늄휠과 시험편의채취부위를나타내고있다

.

그림에서

①위치가

rim

부이고②위치가

spoke

부이다

. A356

알루미늄 휠은 저압주조후

, 535

^o

C

에서용체화처리및

165

^o

C

에서인공 시효를행하는

T6

열처리가 가해졌다

.

사용된알루미늄합금

A356

의 조성은 아래의

Table 1

과 같다

.

기공률측정은자체제작한장비를사용하여 고주기및저 주기피로시험이끝난시편에서그립

(grip)

부위만채취해측정하 였다

.

기공률측정전에는시편의표면과채취부위에서의불순물 을제거하기위해초음파세척기에서약

2

분동안세척하였다

.

2.2 인장시험

인장시험은

MTS810 (Max load: 10kN)

으로수행하였으며

시험편은

Fig. 2

와같이게이지길이는

15 mm,

게이지부지

†

E-mail : [email protected]

(2)

자동차휠용

A356

알루미늄 합금의주조조직이피로특성에미치는영향

-

송전영·박중철·안용식

−

47

−

름

5 mm

인봉재형태로제작하였다

.

인장시험은

ASTM E8

규정에의해

50 mm/min

의일정변형속도로시험하였으며

,

동

일조건에서

2

회씩측정하여 평균값을 취하였다

.

2.3 고주기피로(HCF)시험

Stress-life (S-N Curve)

피로특성을알아보기위해고주기 피로시험

(High Cycle Fatigue, HCF)

을 수행하였다

.

인장시험 과동일한

MTS 810

시험기에서평균응력 “

0

”

,

응력비

(R)

“

-1

” 의완전역전피로시험

(Fully reversed)

으로수행하였다

. HCF

시

험용시편은

Fig. 3

과같이시험시시험편의

R

부분에서의파

괴를방지하기위해

continuous radius

형상으로가공하였으며

시험방식은

ASTM E466

에서정해진규정에의거하여진행하 였다

[3].

2.4 저주기피로(LCF)시험

Strain-life(

ε

-N Curve)

피로특성을알아보기위하여저주기피 로시험

(Low cycle fatigue, LCF)

을수행하였다

.

시험에사용

된장비는인장시험및

HCF

시험과동일한

MTS 810

이었고

,

시험방법은

ASTM E606[4]

의규격에따라수행하였다

.

시험

편은

Fig. 2

의인장시편과동일한것을사용하였다

. LCF

시험

은

HCF

와달리일정변형률제어시험

(Strain controlled test)

으로 시험 조건은정현파

(sine waveform),

응력비

(R)

는 “

-1

”

,

주기 는

0.1Hz

로고정하였다

.

총변형률

(

∆ε

)

은

0.3, 0.4, 0.5

및

0.6%

로총

4

단계를사용하였으며

,

변형률제어를위해게이지길이

8 mm,

용량

6%

인상온신장계

(extensometer)

를사용하여시험 하였다

.

또한저주기피로시험에서

peak stress

값이

15%

저하하 는 지점을 파괴로 정의하였다

.

3. 결과 및 고찰

3.1 미세조직관찰

Fig. 4

는

rim

부와

spoke

부의미세조직을광학현미경으로 관찰한 것이다

.

rim

부

(a)

와

spoke

부

(b)

조직에서 수지상간격

(Dendrite Arm

Spacing, DAS)

을비교하면 뚜렷하지는않지만

rim

부가조금

작은것을 관찰할수있다

.

특히

spoke

부에는

rim

부에서는전 혀관찰되지않는비정상적으로폭이넓은공정조직

(Fig. 4(c))

이많이관찰되었다

.

이는저압주조시금형에서의냉각속도의 차이로인한결과로생각된다

.

즉상대적으로

spoke

부에비해 냉각속도가빠른

rim

부는모든조직이고른미세한수지상정 조직을 나타내나

,

냉각속도가느리고 냉각속도가 불규칙한

spoke

부에서는수지상정조직

(70%)

과공정조직

(30%)

이골고루 분포하는양상을나타낸다

.

응고속도가빠르면

DAS

및결정립 조직이미세해지며용질원자의고용한이확대되고편석이감소 할뿐만아니라제

2

상입자의정출량이감소하고크기도작아지

며

,

수축공 및 기공이 감소하고 미세하게 분산된다

[5].

일반적으로금형에서의냉각시핵생성은주벽에서최초로 발생하며주벽에서멀어질수록냉각속도는느려진다

.

저압주조 시금형내에서부위별냉각속도는미세조직의형성을좌우하 고 이것이소재의기계적인 성질에직접적인영향을미치는 것으로 생각된다

.

3.2 인장시험

알루미늄주조합금에서기계적성질에영향을미치는금속학 적조직인자로는

DAS,

결정립크기

,

제

2

상입자의크기및분포 등이 있다

.

인장특성을조사한결과

Table 2

에서나타내는바 와같이

rim

부는

spoke

부에비해최대인장강도

(Ultimate Tensile Strength, UTS),

연신율

(Elongation, El)

이 약간 높았으며

,

항 Table 1.

Nominal chemical composition (wt%) of used A356 aluminum alloy.

composition Mg Si Ti Fe Cu Sr Al

wt.% 0.26 6.21 0.11 0.25 0.001 0.0052 Bal.

Fig. 1.

Photograph of a vehicle wheel indicates specimen sections for tensile and fatigue test.

Fig. 3.

Specimen geometry used for high cycle fatigue test.

Fig. 2.

Specimen geometry used for tensile test.

(3)

복강도

(Yield strength, YS)

는뚜렷한차이를나타내지않았다

.

일반적인금속재료는결정립크기가작아질수록강도가증가하

는

Hall-Petch

관계식이 성립한다

.

본 연구에서는

rim

부가

spoke

부보다

DAS

가약간 작은것으로나타났으나이러한결

과가 강도에미치는영향은아주미약하였다

. A356

합금의경 우수지상정조직에서

DAS

가증가할수록강도가높아지는결 과도보고되었다

[6].

그러나이와같이

Hall-Petch

관계에반대 되어나타나는현상은

DAS

의크기차이가강도에미치는영향 이외에도내부에서발생하는공정조직의함량 및

2

차상등의 영향이복합적으로고려되어야할것으로생각된다

.

본연구에서

spoke

부위에서는상대적으로느린냉각속도에의해취약한공

정

(eutectic)

조직이광범위하게발생하였으며이것이

rim

부에

비해인장강도를감소시킨원인이라고생각되며이것은피로강

도에도 직접적인 영향을 미치게 된다

.

3.3 고주기피로(HCF)시험

일반적으로알루미늄합금과같은비철금속은응력의감소와 함께 계속적으로피로수명이증가하는곡선의형태를보이며

피로한도

(Fatigue limit)

도뚜렷하게나타나지않는것으로알

려져 있다

[7].

본 피로시험에서는한 응력조건당

3~6

개씩

실험하여

prediction band

를도시하였고여기에

Basquin

식을 적용하였다

.

일반적으로 금속에 대한 피로수명

(Number of cycle to failure, N

f

)

과

True stress amplitude(

σa

)

의 관계는 식

1

의

Basquin‘s equation

을 따르며

[8], Table 3

은

HCF

시험의

결과를

Basquin

식에 적용한 것이다

.

(1)

위식에서강도계수

(

σ

'

f

)

와강도지수

(b)

는실험적인상수이다

. Fig. 6

의

S-N

선도 경사부

(Open symbol)

에서 확인할 수있

듯이

spoke

부에서는

rim

부에비하여피로수명에서상대적으로

심한편차를관찰할 수있다

.

이는

spoke

부에서발생한 공정

조직에의한것으로생각된다

.

피로한도는

S-N

선도수평부

(Close symbol)

에서의피로시험응력의평균값으로정의하였다

.

피로한도를구하는수평부는소정의제한반복수

(N

f

= 10

⁷

)

동안에 파괴되었을때일정간격응력아래에서시험

,

소정의제한반 복수에서파괴되지않았을경우일정간격응력위에서시험하는

staircase

법으로수행하였다

[9].

본연구에서

staircase

법으로구 한

rim

부와

spoke

부의 피로한도는각각

95MPa, 75.4MPa

로

σ_a ∆σ

--- 2

^∆ε

---

^e

2

^⋅^E σ_f^′(

2

N_f)^b

= = =

Table 2.

Results of tensile test.

Rim Spoke

YS [MPa] 168 170

UTS [MPa] 271 243

El [%] 5 4

Table 3.

Values of parameters in Basquin's equation.

Fatigue strength

coefficient (

σf

') Fatigue strength component (b)

Rim 585 -0.10595

Spoke 969 -0.17228

Fig. 4.

Photographs of Microstructure at the Rim region (a) and Spoke region (b), (c) of Al-alloy wheel.

(4)

자동차휠용

A356

-

−

49

−

rim

부가

spoke

부에 비해 약

20MPa

높게나타났다

.

주조시생성되는기공이고주기피로시험결과에미치는영향 을조사하기위하여

rim

부와

spoke

부의기공률

(porosity)

을측 정하였다

.

주조결함중공공은연신율과파괴인성의평균값을 크게감소시킬뿐만아니라조주품질의편차를증가시키고

,

주 조시생성된공공에서피로균열이시작되기때문에피로수명을 감소시킨다고 알려져 있다

[10,11].

Fig. 7

은기공률과수명의관계를 나타낸것이다

.

본연구에

서의 기공률 측정결과

rim

부와

spoke

부 모두 기공률은

3%

이내였으며서로뚜렷한차이를보이지않았고

,

기공률분포와 피로수명의관계에서도큰관련성을발견하지는못했다

.

따라서 본연구범위에서

spoke

및

rim

부의기공도의차이가인장특성 및 피로특성에 미치는 영향은 극히 미약하다고판단된다

.

3.4 저주기피로(LCF)시험

Fig. 8

은

rim

부와

spoke

부의

LCF

시험결과를나타내고있

다

. LCF

시험의 결과 역시

HCF

결과에서 예상한바와 같이

rim

부의피로수명이

spoke

부에비해 높게나타났다

.

탄성거동 의직선적인부분은고주기피로시험과마찬가지로

Basquin

이 제안한 식으로표현할수있으며피로수명과소성변형률과의 관계는

Coffin

과

Manson[12]

이 제안한 식으로표현된다

.

즉 어떤피로수명

(N

f

)

에서의변형률 진폭

(Total strain amplitude)

은정상상태에서의히스테리시스루프로부터탄성변형률과소성 변형률의합으로서표시할수있다

.

큰변형률혹은짧은피로 수명을 가질때에는 소성변형률항이우세하고

,

작은변형률 혹은긴피로수명을가질때에는탄성변형률항이우세하다

.

이 러한 저주기피로시험의 관계는 식

2

로 표현된다

[12].

(2)

여기서 ∆εt

/2

는총변형률 진폭

(Total strain amplitude),

∆εe

/ 2

는탄성변형률 진폭

(Elastic strain amplitude),

∆εp

/2

는 소성 변형률 진폭

(plastic strain amplitude),

σf

'

는 피로강도계수

, b

는피로강도지수이며

,

εf

'

는피로연성계수

, c

는피로연성지수이다

.

탄성및소성변형률의항이같아지는피로수명을천이수명

(transition fatigue life : (2N

f

)

t

)

라 하며

,

이 천이수명은 탄성 및소성변형률과피로수명이 교차하는수명이다

.

천이수명은 식

2

에서부터식

3

과같이표현할수있으며

,

본저주기피로시험 에서의

rim

부와

spoke

부의천이수명은각각

420cycle, 141cycle

이다

.

(3)

천이수명이하의큰변형률혹은단수명

(short fatigue life)

∆ε_t

--- 2

ε_a ∆ε_e

--- 2 +

^∆ε

--- 2

^p ^σ

--- 2

_E^f^′( N_f)^b

+

ε_f^′(

2

N_f)^c

= = =

2

N_f

( )_t ε_f^′⋅E σ_f^′

---

⎝ ⎠

⎜ ⎟

⎛ ⎞_{b c}---¹_–

=

Fig. 6.

Plots of maximum shear stress amplitude vs. number of cycles to failure for A356 aluminum alloy subjected to high cycle fatigue test.

Fig. 7.

Plots of porosity vs. number of cycles to failure.

(5)

의경우소성 변형률항이우세하며

,

이때재료의피로수명은

ductility

에의해지배되는반면천이수명이상의작은변형률혹

은장수명

(long fatigue life)

경우소성변형률보다탄성변형률 항이 우세하며

,

파괴강도에 의해 결정된다

[7,13].

본연구에서의

rim

부와

spoke

부의저주기피로시험은파단

피로수명이천이피로수명보다더장수명데이터로서

plastic strain amplitude

보다

elastic strain amplitude

가 더 지배적 인것을알수가있다

.

전체적인피로특성을가장효과적으 로 다루기 위해서는

plastic strain amplitude

과

elastic strain

amplitude

의 균형이 중요하다

.

Fig. 8.

Plots of total strain amplitude vs. number of cycles to failure for A356 aluminum alloy subjected to low cycle fatigue test.

Fig. 9.

Scanning electron fractographs of broken LCF test specimens of (a) rim, (b) spoke part of Al-alloy wheel.

(6)

자동차휠용

A356

-

−

51

−

3.5 파단면 분석

Fig. 9

는저주기피로시험 후

rim

부와

spoke

부의

SEM

파단

면을나타낸것이다

. A356

합금의주강화기구는

T6

열처리를

통해 형성된

Mg

2

Si

석출이나초정상의크기와공정상의분포 가 소재의 강도에직접적으로 영향을 미친다

[10]. Rim

부와

spoke

부모두파면에는

dimple

파괴양상이주도하는연성파괴가

주된 파괴기구인 것으로생각된다

.

또한

rim

부의 파단면은

spoke

부에비해상대적으로요철이심하지않고수지상정부분

을관통하는

shearing

에의한전단파괴가일부관찰되지만전

체에서차지하는 비율은낮으며고른파단면을관찰할수 있

다

. Spoke

부는

rim

부에비해상대적으로요철이심한것을관

찰할수있다

.

이는수지상정조직외에도넓게분포되어있는

공정조직

(Fig. 4(c))

의파단에의한것으로생각된다

.

즉수지

상정조직에서는소성변형을수반하는연성파괴

(dimple)

를보이 나공정조직은소성변형을거의일으키지않는취성파괴로진 행되었던것으로판단된다

.

이와같이공정조직이많이관찰되

었던

spoke

부에서는상대적으로취성파괴가많이발생하였고

따라서 피로강도가낮았다고 생각된다

. 4. 결 론

저압주조법으로 제조한

A356

알루미늄합금휠의

rim

부와

spoke

부에서채취한시편을가지고인장시험

,

고주기및저주

기 피로시험을 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다

.

1)

조직관찰결과알루미늄휠의

A356

합금의조직은시편의

채취부위인

rim

부

, spoke

부에따라서로상이한조직을보였다

.

비교적냉각속도가빠른

rim

부에서는주조조직의특징을보여 주는수지상정조직이고르게관찰되었으나

spoke

부에서는느 린 냉각속도로 인해수지상정으로 성장하지 못한공정조직

(eutectic)

이 넓게 분포되어 있는것이 관찰되었다

.

2)

rim

부는

spoke

부에 비해보다 높은 인장강도특성을보이며

,

고주기와저주기피로시험에서우수한

피로특성을보인다

. Rim

부가

spoke

부에비해높은인장강도

,

피로강도특성을보이는이유는

, rim

부의경우주조시빠른냉 각속도에의해고른수지상정조직으로만이루어져있는 반면

spoke

부는상대적으로느린냉각속도하에서수지상정조직외

에넓게분포되어있는공정조직이발생하였기때문이라고판 단된다

.

3) A356

spoke

부에서발생한취약한공

정조직때문에

, spoke

부는

rim

부에비하여고주기피로수명에서

상대적으로 심한편차가나타났으며

,

또한저주기피로수명및 천이수명을 감소시키는 결과를 가져왔다

4) Spoke

부와

rim

부의

SEM

피로파면관찰한결과

rim

부에 서는소성변형이파괴의주원인으로판단되며

, spoke

부는소성 변형과 취성균열의복합적인메커니즘에의해파괴에이른것 으로판단된다

.

이것은주조시발생한공정조직이취성파괴를 야기하였기 때문이라고 판단된다

.

참고문헌

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