이원계 Al-Cu 공정 합금의 미세조직 및 기계적 성질 분석

본 내용은 " Microstructure and Mechanical Properties of Binary Al-Cu Eutectic Alloy System/이원계 공정 합금 실험 보고서 " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2025.07.18

문서 내 토픽

• 1. Al-Cu 이원계 공정 합금의 미세조직

  Al-Cu 합금은 대표적인 이원계 금속 재료로, 공정점(33.2 wt% Cu, 548°C)에서 액상이 α(Al 고용체 상)와 θ(CuAl₂ 화합물 상)으로 동시에 응고되어 미세한 층상 조직을 형성한다. 아공정 합금(Cu < 33.2 wt%)은 초정 α상이 먼저 응고된 후 공정 조직이 형성되며, 과공정 합금(Cu > 33.2 wt%)은 θ상이 먼저 응고된다. 미세조직의 형태는 결정립의 크기, 모양, 분포, 상간의 경계 등으로 구성되며 기계적 특성과 밀접한 관련이 있다.

• 2. Lever Rule을 이용한 합금 조성 계산

  Lever Rule은 이원계 상태도에서 평형 상태의 각 상의 질량 분율을 정량적으로 계산하는 공식이다. 본 실험에서는 광학 현미경으로 측정한 초정 α상의 부피 분율(37.72%)과 Al(2.70 g/cm³), Cu(8.96 g/cm³)의 밀도를 이용하여 밀도 보정이 적용된 Lever Rule 식을 적용하였다. 계산 결과 시편의 조성은 약 23.6 wt% Cu로 추정되었으며, 이는 공정점보다 낮아 아공정 합금임을 확인하였다.

• 3. 비커스 경도 측정 및 조성과의 상관관계

  비커스 경도 시험은 136도의 다이아몬드 피라미드형 압입자를 일정 하중으로 시료에 가하여 자국을 남긴 후 대각선 길이를 측정하여 경도를 계산한다. 본 실험에서 0.5 kgf 하중으로 5회 측정한 결과 평균 경도는 68.79 Hv로 나타났다. 이는 아공정 조성 범위에 해당하는 경도값으로, 초정 α상이 다량 존재할수록 경도가 낮고 공정 조직 비율이 증가할수록 경도도 증가하는 경향을 보였다.

• 4. 금속 시편의 폴리싱 및 에칭 처리

  금속 시편의 미세조직 관찰을 위해 Grinder Polisher Machine과 800C, 1500C, 2000C 사포를 이용하여 단계적으로 연마하고, 최종적으로 1 μm 알루미나로 폴리싱하였다. 에칭은 DI, 염산, 질산, 불산으로 구성된 혼합 용액을 사용하여 30초간 처리하였으며, 이를 통해 α상과 θ상을 시각적으로 구분할 수 있었다. 폴리싱과 에칭 과정은 정확한 미세조직 분석과 경도 측정의 기초가 된다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. Al-Cu 이원계 공정 합금의 미세조직

  Al-Cu 이원계 공정 합금의 미세조직은 금속학에서 중요한 연구 대상입니다. 공정 조성에서 형성되는 라멜라 구조는 알루미늄과 구리의 상호 확산으로 인해 특정한 패턴을 보입니다. 이러한 미세조직은 합금의 기계적 성질을 결정하는 핵심 요소이며, 냉각 속도와 열처리 조건에 따라 크게 달라집니다. 공정 온도 근처에서의 응고 과정을 이해하는 것은 원하는 성질의 합금을 설계하는 데 필수적입니다. 특히 상 다이어그램과 실제 미세조직의 관계를 파악하면 합금의 성능을 예측하고 최적화할 수 있습니다.

• 2. Lever Rule을 이용한 합금 조성 계산

  Lever Rule은 상 다이어그램에서 두 상이 공존하는 영역에서 각 상의 상대적 양을 계산하는 강력한 도구입니다. 이 방법은 기하학적 원리에 기반하여 직관적이고 정확한 결과를 제공합니다. 합금의 전체 조성과 각 상의 조성을 알면 질량 분율을 쉽게 구할 수 있어 실무에서 매우 유용합니다. 다만 평형 상태를 가정하므로 실제 비평형 응고 조건에서는 편석 현상으로 인해 오차가 발생할 수 있습니다. 따라서 Lever Rule의 결과를 해석할 때는 실제 응고 조건을 고려하여 신중하게 접근해야 합니다.

• 3. 비커스 경도 측정 및 조성과의 상관관계

  비커스 경도 측정은 작은 영역의 경도를 정밀하게 측정할 수 있는 우수한 방법으로, 미세조직의 상별 경도 차이를 구분할 수 있습니다. Al-Cu 합금에서 구리 함량이 증가하면 일반적으로 경도가 증가하는 경향을 보이는데, 이는 금속간 화합물의 형성과 밀접한 관련이 있습니다. 그러나 경도와 조성의 관계는 단순한 선형 관계가 아니며, 미세조직의 형태, 결정립 크기, 열처리 상태 등 여러 요인에 영향을 받습니다. 따라서 경도 측정 결과를 해석할 때는 미세조직 관찰과 함께 종합적으로 분석하는 것이 중요합니다.

• 4. 금속 시편의 폴리싱 및 에칭 처리

  금속 시편의 폴리싱과 에칭은 광학 현미경 관찰을 위한 필수적인 전처리 과정입니다. 폴리싱은 시편 표면의 거칠기를 제거하여 명확한 미세조직 관찰을 가능하게 하며, 에칭은 서로 다른 상이나 결정립을 구분하기 위해 선택적으로 표면을 부식시킵니다. 적절한 폴리싱 입자 크기와 에칭액의 선택은 미세조직의 세부 특성을 정확하게 드러내는 데 중요합니다. 과도한 폴리싱은 시편을 손상시킬 수 있고, 부적절한 에칭은 미세조직을 왜곡시킬 수 있으므로 숙련된 기술과 경험이 필요합니다.