A Theoretical Study on Quantitative Prediction and Evaluation of Thermal Residual Stresses in Metal Matrix Composite (Case 1 : Two-Dimensional In-Plane Fiber Distribution)

금속기지 복합재료의 제조 및 성형시에 발생하는 열적잔류응력의 정량적 평가 및 예측에 관한 이론적 연구 (제 1보 : 강화재가 2차원 평면상태로 분포하는 경우)

Although discontinuously reinforced metal matrix composite(MMC) is one of the most promising materials for applications of aerospace, automotive industries, the thermal residual stresses developed in the MMC due to the mismatch in coefficients of thermal expansion between the matrix and the fiber under a temperature change has been pointed out as one of the serious problem in practical applications. There are very limited nondestructive techniques to measure the residual stress of composite materials. However, many difficulties have been reported in their applications. Therefore it is important to establish analytical model to evaluate the thermal residual stress of MMC for practical engineering application. In this study, an elastic model is developed to predict the average thermal residual stresses in the matrix and fiber of a misoriented short fiber composite. The thermal residual stresses are induced by the mismatch in the coefficient of the thermal expansion of the matrix and fiber when the composite is subjected to a uniform temperature change. The model considers two-dimensional in-plane fiber misorientation. The analytical formulation of the model is based on Eshelby's equivalent inclusion method and is unique in that it is able to account for interactions among fibers. This model is more general than past models to investigate the effect of parameters which might influence thermal residual stress in composites. The present model is to investigate the effects of fiber volume fraction, distribution type, distribution cut-off angle, and aspect ratio on thermal residual stress for in-plane fiber misorientation. Fiber volume fraction, aspect ratio, and distribution cut-off angle are shown to have more significant effects on the magnitude of the thermal residual stresses than fiber distribution type for in-plane misorientation.

단섬유강화금속복합재료는 최근 항공기, 자동차산업에 있어서 관심의 대상이 되고 있는 재료중의 하나이나 재료의 제조 및 성형중에 재료내의 기지재 및 강화재의 열팽창계수의 차이로 인해 재료 내부에 발생되는 열적잔류응력으로 인한 재료 특성의 변화로 실제적인 재료 적용상에 많은 문제점들이 보고되고 있다. 이와 같은 금속복합재료의 잔류응력의 평가에는 몇가지 비파괴적 방법이 적용되고 있으나 그 측정에 많은 어려움이 보고되고 있다. 따라서 금속복합재료의 보다 실제적인 응용을 위하여는 이와 같은 열적잔류응력을 평가하기 위한 이론적모델의 확립이 요구된다. 본 연구에 있어서는 비방향성을 가진 강화재가 2차원 평면 상태로 기지재내에 존재하는 단섬유강화금속복합재료에 있어서 재료에 균일한 온도 변화가 주어질 때 기지재와 강화재의 열팽창계수의 차로 인해 재료 내부에 발생하는 열적잔류응력을 평가, 예측하기 위한 이론적 탄성 모델을 확립하고자 한다. 본 연구에서 해석하고자 하는 이론 모델은 Eshelby의 등가 개재물 방법을 토대로 하고 있으며 과거 제안되고 있는 이론모델을 포함하는 보다 일반성을 가지는 해석 모델로서, 이 해석 모델을 이용하여 열적잔류응력에 미치는 강화재의 체적률, 종횡비, 분포 상태, 분포 cut-off 각도들에 대한 각 인자의 영향을 검토하였다. 그 결과 강화재의 체적률, 종횡비, cut-off 각도들이 강화재의 분포 상태보다도 금속복합재료의 열적잔류응력에 미치는 영향이 현저함을 알 수 있었다.