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Al6061, SM45C, SUS304 합금의 X선 결정 분석과 기계적 특성 평가 (XRD, XRF, 인장강도, 경도시험)

Al6061, SM45C, SUS304 합금의 X선 결정 분석과 기계적 특성 평가X-ray crystallography and mechanical property evaluation ofAl6061, SM45C, SUS304 alloy초록: 과학 기술의 진보와 함께 새로운 재료를 사용한 제품들이 개발되고 있으며, 새로운 제품의 사용을 위해서는 적합한 재료의 분석이 필요하다. 또한, 산업계가 원하는 재료의 물성을 제어하기 위해 재료에 특정한 원소를 첨가하거나 미세조직을 변화시키는 등의 방법으로 물성을 제어할 수 있다. 이에 본 실험에서는 금속재료에 대한 결정분석과 기계적 특성 평가를 통한 규격 비교로서 Al6061, SM45C, SUS304 합금을 비교하였다. XRD분석으로 원소의 정성분석을, XRF으로 원소의 정량분석을 하여 시편의 구성성분 종류와 조성을 파악하였으며 경도시험과 인장시험으로 기계적 물성을 측정하였다. 측정한 데이터를 토대로 강종 별 규격과 비교, 평가를 하였다. Al6061 시편은 Si의 함유량이 규격 최솟값 보다 부족한 것으로 검출된 것을 제외하고 화학조성, 기계적 특성이 규격에 부합하는 것을 확인하였다. SM45C 시편은 Fe, Cr, Ti은 규격에 부합하였다. SUS304 시편은 Cr, Ni의 함유량이 규격보다 낮게 검출된 것을 제외하고 다른 원소들은 규격에 부합하였다. 기계적 성질 값 또한 기준에 부합하는 것을 확인하였다.Keywords: 경도, 인장강도, Al6061, SUS304, SM45C, 결정분석목 차Ⅰ. 서론 3Ⅱ. 실험방법 3Ⅲ. 결과 및 고찰 43.1 XRD 원소 정성분석3.2 XRF 원소 정량분석3.3 경도시험3.4 인장시험3.5 강종별 규격 비교Ⅳ. 결론 7Ⅴ. 참고문헌 8I. 서론과학 기술의 진보와 함께 새로운 재료를 사용한 제품들이 개발되고 있으며, 새로운 제품의 사용을 위해서는 적합한 재료의 분석이 필요하다. 또한, 산업계가 원하는 재료의 물성을 제어하기 위해 재료에 특정한 원소를 첨가하거나 미세조직을 변화시키는 석, 품질관리 분석, 불량원인 분석 등 여러 산업적 분야에서 다양한 목적을 가지고 있으며, XRD와 XRF와 같은 결정구조에 대한 분석이 주로 이루어진다. 기계적 특성 평가는 산업계에서 사용되는 제품의 기계적 성질에 대한 평가가 주로 이루어진다. 기계적 특성은 응력과 변형의 변화에 대한 관계로 표시되며 탄성율이나 항복점, 내력, 인장강도, 압축강도, 연신율, 충격강도, 크리프, 경도 등을 재료시험을 통해 평가할 수 있다.본 실험에서는 Al6061, SM45C, SUS304 합금의 X-선 결정분석인 X선 형광 분석기(X-ray fluorescence, XRF)로 정량분석을, X선 회절 분석기(X-ray diffraction, XRD)로 정성분석을 하였다. 기계적 특성 평가로는 경도시험과 인장시험을 진행하였다. 본 실험의 결과와 기존의 규격을 비교하였다.II. 실험 방법세 종류의 시편을 #1500 Emery paper를 통해 표면의 연마과정을 거친 후 실험을 진행하였다. 시편의 정량분석은 X-선 형광분석을 이용하여 확인하였다. XRF분석은 S2 Ranger X-선 형광분석기기를 이용하여 50kV 조건에서 시행하였으며, 시편의 결정구조는 X-선 회절분석을 이용하여 확인하였다. XRD분석은 X’ pert-pro MPD X-선 회절분석기기를 이용하여 30~137°범위, 30mA/40kV, 2°/min 조건에서 시행하였다. 경도시험은 HV-114 Vickers 경도측정기로 측정을 진행하였으며 측정 시 10kgf 하중, KS B 0811규격을 준수하여 시험을 진행하였다. 인장시험에 사용된 시편은 13B 판상시편으로, 50mm의 표점거리를 가지며 H25K-T UTM 인장시험기로 측정을 진행하였다. 측정 시 KS B 0802규격을 준수하여 시험을 진행하였으며 인장속도는 3mm/min으로 상온에서 진행하였다.III. 결과 및 고찰3.1 XRD 원소 정성분석XRD 정성분석에 따른 합금별 회절패턴을 Figure. 1에 나타내었다. Al6061 시편의 회절패턴은 순수 Al과 같은 B테인레스와 결정구조가 동일함을 확인하였다.3.2 XRF 원소 정량분석XRF 정량분석에 따른 합금시편의 화학조성을 FIgure. 2와 Table. 1에 나타내었다. Al6061은 Al이 98.4%로 주를 이루고 있으며, Mg이 0.9%로 소량 함유되어 있으며, 추가로 미량의 불순물이 함유되어 있음을 확인하였다. SM45C는 Fe가 99.70%로 주를 이루고 있으며, Cr과 Ti이 각각 0.17%, 0.13%로 소량 함유되어 있는 것을 확인하였다. SUS304는 Fe가 73.97%를 함유하고 있으며, Cr 17.88%, Ni 6.10%, 추가로 미량의 불순물이 함유되어 있음을 확인하였다.Table. 1 XRF를 통한 시편별 화학조성 조성(wt%) 강종AlMgFeCrNiSiTiMnCoAl606198.400.900.290.230.130.07SM45C99.700.170.13SUS30417.8873.9717.866.100.400.071.030.523.3 경도시험비커스 경도시험을 통해 측정한 결과를 Table. 3-2에 나타내었다. 합금별로 경도값을 총 10회 측정하여 평균값과 표준편차를 나타내었다. SUS304, SM45C, Al6061 순으로 경도값 크기의 차이를 보였다.Table. 2 합금별 Vickers 경도 측정값 강종경도 (HV)표준편차Al606174.54.6SM45C83.92.5SUS304159.33.93.4 인장시험인장시험을 통해 측정한 결과를 Table. 3-3에 나타내었다. 합금별로 각각 3회 인장시험을 측정하였으며, 측정한 인장강도, 항복강도, 연신율의 평균을 나타내었다.Table. 3 합금별 인장시험 측정값강종인장강도 (Mpa)항복강도 (Mpa)연신율 (%)Al606128520822.6SM45C32416958.8SUS304887267115.53.5 강종별 규격과 비교X-선 결정분석과 기계적 특성 평가 결과를 토대로 기존의 규격과 비교하였다. Al6061은 ASTM-B209 6061 규격과 비교하였고, Table. 4에 나타내었다. 화학조성 에서는 원소 와 비교하였고, T4의 기계적 성질 기준에 부합하는 것을 확인하였다.Table. 4 Al6061 비교[1] 조성(wt%) 강종(규격)SiFeZnMnMgCrAlTiASTM-B2096061max0.80.70.250.151.20.35remainder0.15min0.40---0.80.04-Al6061조성0.130.290.020.070.90.2398.4-강종(규격)인장강도 (Mpa)항복강도 (Mpa)연신율 (%)경도ASTM-B2096061-O1255525-3030HBASTM-B2096061-T42071101675HVASTM-B2096061-T629024010107HVAl606128520822.674.5HVSM45C는 KS-SM45C 규격과 비교하였고, Table. 5에 나타내었다. 화학조성 실험을 진행한 시편은 Cr, Fe, Ti 이 검출되었고, KS-SM45C 규격의 원소 중 C, Si, Mn, P, S가 검출되지 않았다. 기계적 성질은 노말라이징 처리한 SM45C 규격과 비교하였다. 연신율 기준은 부합하지만 인장강도와 항복강도, 경도는 큰 차이를 보이며 기준에 부합하지 못하는 것을 확인하였다. Table. 5 SM45C 비교[2] 조성(wt%) 강종(규격)CSiMnPSCrFeTiKS-SM45Cmax0.480.350.900.0300.0350.20remainder-min0.420.150.60----SM45C조성-----0.1799.700.13강종(규격)인장강도 (Mpa)항복강도 (Mpa)연신율 (%)경도(HV)KS-SM45CNormalizing56934320172-235SM45C32416958.883.9SUS304는 JIS-G4303 SUS304 규격과 비교하였고, Table. 4에 나타내었다. 화학조성 에서는 원소별 기준치에 대부분 부합 하였으나 Cr과 Ni 의 조성이 규격에 부합하지 않는 것을 확인하였다. 기계적 성질 값은 규격 기준에 부합하는 것을 확인하였다.Table. 6 SUS304 비교표[3] 조성(wt%) 강종(규격)CSiMnPSNiFeCrJIS-G430)항복강도 (Mpa)연신율 (%)경도(HV)JIS-G4303SUS30452020540최대 200SUS304887267115.5159.3V. 결론본 실험에서는 Al6061, SM45C, SUS304 합금의 결정분석과 기계적 특성 평가를 진행하였다. X-선 결정분석인 X선 형광 분석기(X-ray fluorescence, XRF)로 원소의 정량분석을, X선 회절 분석기(X-ray diffraction, XRD)로 원소의 정성분석을 하였다. 기계적 특성 평가로는 경도시험과 인장시험을 진행하였다. X-선 결정분석과 기계적 특성 평가 결과를 토대로 각각의 강종을 기존의 규격과 비교, 평가 하였다. Al6061은 ASTM-B209 6061 규격과 비교하였고, 화학조성 에서는 원소별 기준치에 대부분 부합 하였으나 Si의 경우 최소 함유량인 0.40 wt%보다 낮은 0.13 wt%가 검출되었다. 기계적 성질은 ASTM-B209 6061 T4의 기계적 성질 기준에 부합하는 것을 확인하였다. Al6061 시편은 Si의 함유량이 규격의 기준보다 낮게 검출되었으므로 추가적인 XRF 분석이 필요하다. SM45C는 KS-SM45C 규격과 비교하였고, KS-SM45C 규격의 기준에 해당하는 원소 일부분이 검출되지 않았다. 검출되지 않은 C, Si, P, S, Mn 원소는 요구하는 최소량이 존재하고, 탄소강의 물성에 영향을 미치므로 추가적인 실험을 통한 평가가 필요하다. 기계적 성질은 노말라이징 처리한 SM45C 규격과 비교하여 연신율 기준은 부합하지만 인장강도와 항복강도, 경도는 큰 차이를 보이며 기준에 부합하지 못하였다. 노말라이징 처리가 아닌 다른 처리를 통한 데이터와의 비교가 요구된다. SUS304는 JIS-G4303 SUS304 규격과 비교하였고, 화학조성 에서는 원소별 기준치에 대부분 부합하지만 Cr과 Ni 의 조성이 규격 기준에 미달되는 양으로 검출되었다. 기계적 성질 값은 규격 기준에 부합하는 것을 확인하였다. Cr과 Ni의 함유량이 규격보다 낮은 양으로 검출되었으므로 추가적.

재료공학| 2024.10.04| 8페이지| 3,000원| 조회(1,212)

재료, 논문, 경도시험, 신소재, 인장강도, xrd, XRF, 재료시험법

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xrd 리포트 (6page)

XRD원리를 이용한 시료의 정성분석1. 목적Xrd를 사용하여 시료의 여러 물성과 회절패턴을 파악 할 수 있고, 원소 고유의 회절패턴과 시료의 회절패턴을 비교하는 동정을 하여 시료의 결정구조와 구성원소를 유추하는 정성분석을 하는 것에 목적이 있다.2. 이론2.1 XrdXrd(x-ray diffraction)란 결정구조, 화학성분 및 재료의 물리적 특성에 대한 정보를 알 수 있는 비파괴 기술이다.X선 튜브에서 전자를 타겟에 입사하면 타겟의 종류에 따라 특정 x선이 회절이 일어나고, 필터를 거쳐 타겟의 단색화된 파장이 시료에 입사된다.X선 tube로부터 발생된 x선을 시료에 입사하면 시료의 결정 내에서 회절이 일어나고 특정한 결정구조를 가지는 시료를 Bragg 법칙에 따라 x선 파장에 회절이 일어나고, 입사된 x선의 위상과 보강간섭을 일으켜 파장의 강도가 증가한다. 시료에서 입사되어져 나온 x선을 정해진 각도범위 내에서 측정하고, 측정한 값을 그래프로 나타내어 시료의 물성을 분석한다.입사 X-선과 위상이 일치하는 산란광이 보강간섭을 일으켜 결정 구조에 따른 고유한 회절패턴을 형성하는데 이때 x선이 검출되는 각도와 세기는 결정상 마다 다른 고유한 것으로 이것으로 미지의 결정상의 정성분석이 가능하다.여러 성분이 혼합된 혼합물에서도 각 성분마다 독립적인 회절패턴이 나타나므로 혼합물 내에 존재하는 물질의 정성분석이 가능하며, 각 물질의 양과 회절 X-선의 강도 사이에는 일정한 상관관계가 있으므로 정량분석도 가능하다.2.2 Xrd의 특징1. 단일성분이 아닌경우, 혼합물인지 고용체인지 구별이 가능하다.2. 시료가 적어도 측정이 가능하며, 시료조정이 비교적 간단하고, 측정하는 것으로 손상되지 않는 비파괴 분석이다.3. 시료의 형태가 분말, 또는 여러 형상으로도 측정이 가능하다.4. 결정질 시료만 가능하다. 액체 기체 비정질은 정성분석이 불가능하다.5. 일부 혼합물이 미량인 경우 회절 x선의 강도가 약하게 나오므로 미량(함유된 원소의 %가 극히 작다)의 혼합물은 검출이 어렵다.2.3 브래그법칙(Bragg’s law)결정과 같이 주기적인 구조를 가진 물질에 대해 일정한 파장의 x선을 다양한 각도에서 비춰주면, 어느 각도에서는 강한 x선의 반사가 일어나지만 다른 각도에서는 반사가 거의 일어나지 않는 것을 관측할 수 있다.이것은 물질을 구성하는 원자에 의해 산란된 빛이 결정구조의 반복에 의해 강해지거나 약해지기 때문이다. 브래그의 법칙은 빛의 파장과 결정구조의 폭, 혹은 반사면과 광선이 이루는 각도 사이의 관계를 설명한다.입사된 파장 사이의 경로차는 위상차에 의해 서로 간섭을 일으킬 것이고 입사각와 면간거리d를 알아내어 파장의 경로차 를 알아낼 수 있다. 이 파장이 정수배이면 파장은 서로 보강이 일어난다.2.4 Xrd를 이용한 함유원소와 상의 정성분석 방법X선 회절법에 의한 정성분석은 미지시료의 회절패턴과 이미 알고 있는 물질의 회절패턴을 비교 하여 미지시료의 패턴에 특정 물성패턴이 포함되어 있으면 그 물질이 함유되어 있다고 판단하는 방법이다. 이 방법이 정성분석이다.정성분석 방법으로는 Hanawalt 법이 있다.Hanawalt 법은 각 물질의 회절X선에서 강도가 강한순으로 3개를 선택하고 이것들의 격자면간격과 상대강도를 이용하여 Index book에서 함유되어 있다고 생각되는 것을 찾고, 다음에 ICDD card 와 상세히 비교조합하는 방법으로 분석하는 방법이다.1.측정한 xrd데이터를 x축(2), y축(Intensity)으로 그래프를 만든다.2.그래프상의 peak의 위치로 bragg각을 찾는다.3.가장 강한 3개의 peak의 bragg각을 사용하여 면간거리를 계산한다.면간거리 계산식h, k, l은 피크의 면 지수이며 a, b, c는 결정격자의 격자 상수이다.Bragg's law와 결정의 면 간 거리 계산식을 이용하면 회절패턴의 면 지수를 이용하여 결정격자의 격자상수를 구할 수 있다.1. Index book에서 3강선의 면간거리 d로 그룹의 위치를 찾는다.2. 둘째 행에 있는 d값을 찾아 가장 가까운 강도를 찾는다.3. 가장 가까운 일치를 갖는 d에서 상대강도를 도표 값과 비교한다.4. Index book에 실린 선들에서 일치하는 것을 찾고 pdf카드의 위치를 찾아서 모든 선들의 d와 강도비를 비교한다.2.5 Xrd를 이용하여 분석할 수 있는 재료의 물성1. 면간거리특정한 결정구조를 가지는 (hkl)에 평행한 가장 가까운 면과의 거리를 의미한다.2. 입사각시료에 x선을 입사시킬때 시료와 입사선과의 각도를 의미한다.Xrd의 그래프에서는 2각도로 나온다.3. 결정구조물질을 구성하는 원자가 3차원적으로 반복 배열한 것4. 회절선강도x선이 시료에 입사되어 회절되는 선의 강도를 의미한다. x선의 위상에 보강간섭이 일어나면 회절선 강도가 증가한다.5. 밀러지수밀러지수란 축의 길이를 기준으로 하여 격자면이 3결정축과 교차하는 점과 원점사이의 거리의 역수를 간단한 정수비로 표시한 지수이다.2.6 Icdd또는 jcpds카드의 해석법1. Icdd해석법ICDD card는 분말X선회절 Data 의 표준으로 널리 이용된다.이 Card 는 하나의 물질에 대하여 회절 Data(격자면간격, 회절선강도, Miller Index 등), 결정학적 Data, 광학적 Data 및 측정조건 등이 1장의 Card 에 기재되어 있다.카드의 번호가장 강한 피크3개를 순서대로 표시가장 낮은 theta의 강도와 면간거리화학식과 신뢰도측정조건 등의 정보결정구조, 격자상수, 공간군등 결정학적 data광학적 data화학분석값, 측정온도등해당 화학식의 데이터값참고문헌Laser surface modification of biomaterials 2016, 77-125p Hyperlink "https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/x-ray-diffraction" https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/x-ray-diffractionsoftdisc Hyperlink "http://www.softdisc.co.kr/" http://www.softdisc.co.kr/Wikipedia, Wikipedia Foundation. Inc from Hyperlink "https://en.wikipedia.org/wiki/Bragg%27s_law" https://en.wikipedia.org/wiki/Bragg%27s_law고태경 역, X선 회절, pp275-283 (mar. 10, 2006)PAGE * MERGEFORMAT2

공학/기술| 2021.10.31| 6페이지| 2,000원| 조회(490)

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