3.1 As-rolled 및 DA 처리된 Elgiloy와 SPRON 510 합금들의 초기 미세조직

그림 2에서는 Elgiloy 냉간 압연재 초기 미세조직 특징을 보여준다. EBSD 분석 결과, as-rolled 및 DA 소재에서 공통적으로 face centered cubic (FCC) 및 hexagonal close packed (HCP) 상들이 공존하는 것으로 확인되었다(그림 2(a₂,b₂)). Co계 합금 소재는 냉간 압연 중 FCC 상에서 HCP 상으로의 변형유기 마르텐사이트 변태(straininduced martensite transformation, SIMT)를 형성하며, as-rolled 및 DA 소재에서 관찰된 미세조직 특징은 이와 같은 SIMT 메커니즘에 기인한 것으로 알려져 있다[³²]. Elgiloy as-rolled, DA 소재의 상분율은 세 개의 다른 이미지를 비교하여 평균값을 도출하였다. 형성된 HCP 상의 분율은 as-rolled와 DA에서 각각 11.6%, 19.9%로 측정되어, DA에서 더 높은 값을 나타내었다. 특히 DA에서는 as-rolled 대비 얇은 밴드 형태의 HCP 상들이 다수 관찰되었다 (그림 2(b₃)). Co계 합금에서 HCP 안정화 원소인 Mo는 시효 과정에서 국부적 편석을 형성할 수 있으며, 이는 SFE를 감소시켜 FCC 상을 불안정하게 하고 HCP를 안정화시킬 수 있다[³³,³⁴]. 또한 냉간 압연 공정 중에 부여된 응력은 FCC 기지의 변형 에너지를 증가시켜 시효 열처리 중 HCP로의 상 변태를 촉진하였을 것으로 예상할 수 있다.

As-rolled 및 DA Elgiloy 초기 미세조직의 grain orientation spread (GOS) map 분석 결과들을 그림 2(a₄,b₄)에 나열하였다. 결정립의 오배향 각도 범위를 설정하여 0o ~ 1.5o는 재결정립, 1.5o~ 4o는 아결정립, 4o~ 180o는 변형 결정립으로 분류하였다. As-rolled및 DA Elgiloy에서는 공통적으로 SIMT로 인해 형성된 HCP 상 주변에서 밴드 형태의 아결정립 및 재결정립들이 확인되었다. 특히 HCP 상이 형성되는 영역은 주변 FCC 기지와의 격자 불일치로 인해 높은 결함 밀도를 형성하였다. 높은 결함 밀도는 저장 에너지를 증가시켜 변형 도중 아결정립 및 재결정립 형성을 촉진할 수 있다[³⁵]. As-rolled 소재에서는 0.76 ± 0.57 μm 크기를 가지는 석출물들이 존재하였으며, DA 소재에서는 0.42 ± 0.21 μm 크기를 가지는 석출물들이 관찰되어 asrolled 대비 미세한 크기를 나타내었다 (그림 2(a₅,b₅)). SEM-EDS 맵핑 결과, as-rolled 및 DA 소재들에서 Morich 블록 형태의 석출물들이 관찰되었으며, 이는 μ 상 또는 σ 상의 금속간 화합물로 예상된다[³⁶-³⁸]. 또한 석출물의 분율은 as-rolled에서 1.2 ± 0.2 %이며 DA적용 후 3.1 ± 0.5 %로 증가하였다.

그림 3에 SPRON 510 냉간 압연재의 초기 미세조직 분석 결과를 나타내었다. EBSD의 상 분포 맵에서, asrolled 및 DA 소재들은 공통적으로 FCC 단일상을 유지하는 것으로 확인되었다 (그림 3(a₃,b₃)). 이는 Elgiloy에서 SIMT 거동을 통해 HCP 상이 형성된 것과는 대조적인 결과이다. 이러한 특징은 SPRON 510 소재의 높은 Ni 함량으로 인한 것으로 설명될 수 있으며, 이와 관련하여 Li 등은 SPRON 510 소재에서 Ni 함량이 25 wt% 이상일 경우 상온에서 SIMT는 발생하지 않는 것으로 보고한 바 있다[³⁹]. GOS 맵 분석 결과, 조대한 결정립 사이의 영역에서 아결정립 및 재결정립들이 일부 관찰되었다 (그림 3(a₄,b₄)). 그러나 SPRON 510은 Elgiloy 보다는 낮은 아결정립 및 재결정립 분율들을 나타내었으며, 이러한 차이는 SPRON 510에서 냉간 압연 도중 HCP 상으로의 SIMT 거동이 나타나지 않은 것에 기인한다고 이해될 수 있다. SEM-EDS 맵핑 이미지는 as-rolled 및 DA 소재들에서 Mo, Nb, Ti-rich의 블록 형태 석출물들을 보여준다(그림 3(a5,b5)). 상태도와의 비교 결과를 바탕으로, 석출물들은 각각 Mo-rich (μ상, σ상), Ti-rich (η상) 그리고 Ti, Nb-rich (δ상)의 TCP 금속간 화합물로 예상되었다[⁴⁰]. μ상, σ상, δ상 및 η상은 각각 서로 다른 결정 구조를 가지고 있으며, 소재의 기계적 특성에 다양한 영향을 미친다. μ상(Co₇Mo₆)은 hexagonal 구조를 가지며, 결정립 미세화를 유도하여 강도 증가에 기여한다[⁴¹]. σ상(Co₂Mo₃)은 tetragonal 구조를 가지는 석출물로, 크기가 크고 취성이 강하여 전위의 이동을 억제함으로써 항복 강도를 증가시킨다[⁴²]. δ상(Ni₃Ti, Ni₃Nb)은 orthorhombic 구조를 가지며, 결정립계에 미세하게 분포하여 균열 전파를 지연시키고 강도를 향상시킨다. 그러나 δ상이 조대화될 경우, 균열을 쉽게 유발하여 강도와 연신율을 저하시킬 수 있다[⁴³,⁴⁴]. η상(Ni₃Ti)은 hexagonal 구조를 가지고 결정립계와 결정립 내부 모두에서 석출된다. 또한 적절한 수준의 연성을 유지하면서도 전위 이동에 대한 저항을 제공하여 강도 향상에 기여한다[⁴⁵]. 일반적으로 μ상, σ상 및 δ상은 기지와 부정합 관계를 가지며 전위 이동을 방해해 강도를 증가시키고 연성을 저하시킬 수 있으며, η상은 기지와 준정합 관계를 가지며 강도와 인성의 균형적인 조합에 기여한다. 석출물들의 평균 크기는 as-rolled 와 DA에서 각각 0.93 ± 0.56 μm, 0.65 ± 0.31 μm 로 확인되어, Elgiloy에 비해 SPRON 510에서 상대적으로 조대한 특징을 나타내었다. 반면 석출물의 분율은 as-rolled에서 3.6 ± 0.5 %, DA에서 5.4 ± 0.4 %를 나타내어 DA 후 증가하였으며, Elgiloy에 비해 SPRON 510이 상대적으로 더 높은 값을 보였다.

EBSD 분석을 통해 각 소재의 결정립 구조를 비교한 결과, Elgiloy는 as-rolled 상태에서 평균 3.55 ± 1.20 μm, DA 상태에서 2.98 ± 1.06 μm의 결정립 크기를 나타냈으며, 이는 SPRON 510 (as-rolled: 8.13 ± 2.36 μm, DA: 5.90 ± 1.68 μm)과 비교해 상대적으로 더 미세한 결정립 구조를 유지하고 있는 것으로 나타났다. 이는 Elgiloy에서 아결정립 및 재결정립 분율들이 상대적으로 더 높은 것에 기인하는 것으로 예상된다. 또한 Elgiloy와 SPRON 510에서 공통적으로 as-rolled에 비해 DA 후 결정립 크기가 감소하였으며, 이는 DA 적용에 따른 아결정립 및 재결정립 분율 증가와 추가적으로 형성된 미세 석출물로 인한 고정 효과에 의한 영향이 함께 작용되어 나타난 것으로 판단된다. Kernel average misorientation (KAM) value 비교 결과, Elgiloy (as-rolled: 0.91o, DA: 0.98o)에 비해 SPRON 510 (asrolled: 1.19o, DA: 1.30o)에서 더 높은 특징을 나타냈다. Elgiloy와 SPRON에서 공통적으로 DA 적용 후 KAM value가 증가하였으며 이는 미세 석출물 분율 증가에 의한 전위 이동 방해에 의한 국부적인 응력 증가 때문이다. 반면 Elgiloy는 냉간압연 과정에서 SIMT 형성으로 인한 변형의 흡수와, HCP 상 주변에서 아결정립이 형성됨으로써 국부적인 응력 완화가 이루어졌을 것으로 사료된다. 이러한 미세조직 특징으로 인하여 Elgiloy가 SPRON 510에 비해 더 낮은 KAM value를 나타내는 것이라고 이해될 수 있다.

3.2 As-rolled 및 DA 처리된 Elgiloy와 SPRON 510 합금들의 상온 기계적 특징

비커스 경도 측정 결과, Elgiloy는 as-rolled에서 485.4 ± 7.9HV, DA에서 579.1 ± 7.6 HV로 확인되었으며, DA 후 경도 값이 16.2% 증가하였다. SPRON 510의 경우 as-rolled에서 488.8 ± 3.8 HV, DA에서 599.0 ± 8.0 HV로 측정되어, DA 후 18.4% 증가하였으며, 이는 Elgiloy보다 상대적으로 높은 경도 증가율이다. 그림 4와 표 2는 Elgiloy 및 SPRON 510 소재들의 상온 인장 특성 결과를 보여준다. Elgiloy의 경우 as-rolled 소재는 최대 인장 강도 1825.9 ± 4.9 MPa, 항복 강도 1433.1 ± 12.5 MPa, 연신율 3.4 ± 0.2 %를 나타내었으며, DA 적용 후 최대 인장 강도 2152.6 ± 25.9 MPa, 항복 강도 1828.4 ± 49.2 MPa, 연신율 0.8 ± 0.1 %를 보였다. 반면 SPRON 510의 as-rolled 소재는 최대 인장 강도 1684.6 ± 11.1 MPa, 항복 강도 1442.7 ± 23.2 MPa, 연신율 4.6 ± 1.1 %를 나타내었으며, DA 적용 후 최대 인장 강도 2015.9 ± 22.4 MPa, 항복 강도 1920.7 ± 31.7MPa, 연신율 1.6 ± 0.3 %로 확인되었다. 결과적으로 Elgiloy와 SPRON 510에서는 공통적으로 as-rolled에 비해 DA 적용 후 항복 강도와 인장 강도가 모두 증가하였다. 또한 Elgiloy는 SPRON 510에 비해 높은 인장 강도를 나타내었으며, SPRON 510은 Elgiloy에 비해 높은 항복 강도 및 연신율을 가지는 흥미로운 결과를 보였다.

3.3 인장 파단면 관찰 결과

인장 시험 후 Elgiloy 시편들의 파단면 분석 결과를 그림 5에서 제시하였다. Elgiloy as-rolled와 DA 시편은 공통적으로 조대한 균열들을 따라 형성된 매끄러운 벽개 파면 특징을 보여주어 전형적인 취성 파괴 거동을 나타내었다 (그림 5 (a,b)). Elgiloy as-rolled 시편의 파단면에서는 1~7 μm의 크기 범위를 가지는 다수의 미세 딤플들과 벽개 파단면들이 주로 관찰되었으며, 딤플들의 크기 분포는 전체적으로 균일하지 않았다 (그림 5 (a,c)). 미세 딤플들은 주로 Elgiloy as-rolled 초기 미세조직에서 관찰된 아결정립들이 전위 이동을 억제하여 형성된 것으로 판단된다. 이러한 불균일 크기의 딤플들은 국부적인 파괴를 야기하여 연신율 감소에 영향을 미칠 수 있다. DA 시편의 경우, asrolled 대비 벽개 파단면 영역이 증가하였으며, 더 미세한 딤플들도 관찰되었다 (그림 5 (b,d)). 이는 DA 후 증가한 아결정립들에 의한 영향으로 사료된다. 이러한 다양한 크기의 딤플 형성은 불균일한 국부 변형을 가속화하는 요인으로 작용할 수 있다.

SPRON 510 시편들의 인장 파단면 분석 결과는 그림 6에 나타내었다. SPRON 510 as-rolled 및 DA 시편에서는 공통적으로 미세한 균열들이 다수 존재하는 벽개 파면 특징을 보여주어 Elgiloy와는 다른 취성 파괴 거동을 나타내었다 (그림 6 (a,b)). As-rolled 시편의 파단면에서는 다수의 딤플들이 존재하였으며, 7~10 μm의 크기 범위를 보였다 (그림 6 (a)). 이 크기는 초기 미세조직에서의 조대 결정립 크기와 유사하며, 파단이 주로 조대 결정립계를 따라 발생하였음을 시사한다. 고배율 관찰 결과, 딤플 영역의 중심에는 석출물들이 집중되어 분포하였으며 (그림 6 (c)), 이러한 석출물들을 중심으로 딤플들이 형성 및 성장하였음을 유추할 수 있었다. 또한 딤플 내부에서는 river-pattern 특징도 함께 관찰되었으며, 이는 변형 도중 미세한 소성변형이 일부 발생했다는 점을 함께 보여준다. DA 시편의 파단면에서는 as-rolled 시편 대비 딤플들의 크기가 작아졌으며, 이는 DA를 통해 증가한 석출물을 중심으로 다수의 딤플들이 형성되었기 때문으로 설명될 수 있다 (그림 6 (b)). 고배율 분석 결과, 딤플 내부에서 형성된 river-pattern에서 2차 균열이 함께 관찰되었다 (그림 6 (d)). 이러한 2차 균열은 인장 시험 과정에서 추가적인 균열 전파 저항성을 제공할 수 있으며 강도 물성을 증가시키는 것으로 알려져 있다[[⁴⁶]. As-rolled 및 DA 시편들에서 Elgiloy보다 SPRON 510이 더 균일한 딤플 크기 분포를 나타냈으며, 이는 SPRON 510에서 상대적으로 적은 아결정립 형성에 의한 것으로 사료된다. 또한 SPRON 510 as-rolled 및 DA 에서는 공통적으로 crack-bridging 현상이 관찰되었다. 이러한 특징은 균열 전파를 늦추거나 방해하여 균열 저항성을 증가시키는 것으로 알려져 있다[⁴⁷].

3.4 미세조직과 인장 변형 거동의 상관관계

그림 7에 Elgiloy 소재의 인장 변형 후의 미세조직의 EBSD 분석 결과를 나타내었다. 변형 후 as-rolled 시편에서는 다수의 미세 HCP phase grain들이 형성되었으며, DA 시편에서는 상대적으로 조대한 밴드 형태의 HCP 상들이 관찰되었다 (그림 7 (b,d)). 변형 전 HCP 상의 분율은 asrolled와 DA 시편들에서 각각 11.6%와 19.9%였으며, 인장 변형 후에는 각각 29.5%와 49.6%로 증가하였다 (그림 7 (e)). 특히, DA에서는 as-rolled에 비해 더 높은 HCP 상분율 증가가 나타났다. 이는 미세하게 분포하는 석출물이 전위의 이동을 방해하고, 결정립 미세화에 따른 국부적인 응력 집중이 FCC→HCP 변태의 핵생성 에너지를 감소시켜, SIMT 거동을 촉진한 결과로 해석할 수 있다[⁴⁸].

그림 8은 SPRON 510 소재의 인장 변형 후의 미세조직 EBSD 분석 결과이다. As-rolled 샘플에서는 조대 결정립 내부에 다수의 변형 쌍정 (60o 오배향의 Σ3 경계)이 형성되었다 (그림 8 (a)). 이러한 변형 쌍정의 형성은 결정립계를 추가적으로 강화하며, 슬립 활동을 제한하여 소성 변형에 대한 저항을 증가시켜 초기 항복 강도를 증가시키는 역할을 한다[⁴⁹]. 또한 파단면에서 관찰된 crackbridging은 변형 쌍정 경계에서 균열 전파가 발생할 때 형성되어 균열 형성을 지연시키는 것으로 보고되고 있다[⁵⁰]. 결과적으로 이러한 crack-bridging의 형성은 변형 도중 균열 저항성을 증가시키는 것으로 예상할 수 있었다. 반면 DA 샘플에서는 변형 쌍정과 전위 슬립이 함께 관찰되어 as-rolled와는 다른 변형 거동을 나타내었다 (그림 8 (b)).

Elgiloy와 SPRON 510 소재들의 서로 다른 변형 거동은 조성 차이에 따른 미세조직학적 특징에 기인한다. Elgiloy에 비해 높은 Ni 함량을 가지는 SPRON 510은 상대적으로 높은 SFE를 가진다. 특히 Co계 초합금에서 10–20 mJ·m^-2 SFE 범위에서는 SIMT가 우선적으로 활성화되며, 20–30 mJ·m^-2 에서는 변형 쌍정이, 그리고 이보다 더 높은 30–50 mJ·m^-2 에서는 변형 쌍정과 전위 슬립이 함께 발생한다고 보고되었다[⁵¹]. 이를 기반으로 SPRON 510에 비해 SFE가 상대적으로 낮은 Elgiloy에서 SIMT가 활발하게 발생한 것을 잘 이해할 수 있다. 반면 SPRON 510에서는 변형 쌍정이 주로 형성된 as-rolled와 변형 쌍정과 전위 슬립이 함께 발생한 DA 시편 간의 변형 거동 차이가 확인되어, DA 적용 후 SFE의 증가를 예상할 수 있었다. As-rolled 및 DA 시편의 기지 영역에서 수행한 EDS point 분석 결과를 그림 8(b)와 그림 8(d)에 제시하였으며, as-rolled 대비 DA에서 낮은 Mo 및 Nb 분율이 확인되었다. 이러한 경향은 DA 후 석출물 형성에 따라 기지 내 Mo 및 Nb 농도가 감소한 결과로 해석될 수 있으며, 이는 상대적인 Ni 농도 증가로 인해 SFE의 증가에 영향을 미친 것으로 판단된다. 결과적으로 SPRON 510 DA 시편은 as-rolled에 비해 낮은 변형 쌍정 분율을 나타냈지만 높은 항복 강도와 인장 강도를 보였으며, 이는 주로 DA 적용 후 미세 석출물 분율과 전위 밀도의 증가, 그리고 미세해진 결정립 크기에 의한 영향으로 판단된다.

그림 9는 Elgiloy 및 SPRON 510 소재들의 Taylor factor 맵 분석 결과를 나타낸 것이다. Taylor factor는 주로 결정립 내부의 결정 방향과 외부 응력 방향의 불일치에 따라 발생하는 변형 저항을 평가, 제시한다[⁵²]. 일반적으로 Taylor factor가 높을 경우 변형이 어렵고 결정립의 회전이나 전위 이동이 제한되므로, 초기 항복 강도가 증가하는 특징을 나타낸다. 인장 방향(//압연 방향) 기준 Taylor factor값은 Elgiloy (as-rolled: 2.87, DA: 2.94)가 SPRON 510 (as-rolled: 3.28, DA: 3.17)에 비해 낮은 값을 나타내었다. 이는 외부 응력이 가해졌을 때 Elgiloy에 비해 SPRON 510에서 더 높은 응력 저항성을 가져 소성 변형이 비교적 어려움을 보여주는 결과이다.

결과적으로 Elgiloy와 SPRON 510은 서로 다른 초기 미세조직학적 특징을 나타내었으며 이에 따른 인장 변형 거동에서의 차이를 보였다. Elgiloy의 높은 인장 강도는 상대적으로 미세한 결정립 크기 및 SIMT 거동으로 인한 경화 영향이 지배적이었으며, SPRON 510의 높은 항복 강도는 변형 쌍정과 높은 Taylor factor 및 높은 석출물 분율과 전위밀도에 의한 영향이 우세하였다. 또한 Elgiloy에서 아결정립으로 인한 딤플 형성은 연신율을 감소시켰으며, SPRON 510에서 2차 균열 및 crack-bridging의 형성은 균열 저항성을 증가시킨 것으로 판단된다. 이러한 파단 특징의 차이는 Elgiloy에 비해 SPRON 510에서 상대적으로 높은 연성을 나타내는 원인으로 제시되었다.