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문제 정의
- 본 논문에서는 부식환경 하에서 쇼트피닝이피로 수명의 변화를 통하여 부식에 미치는 효과에 대하여 규명하고자 Al 7075-T6 소재를 가지고 3.5% NaCl 수용액 속에 침수시켜 1주에서 1년까지 피로특성을 평가한 결과 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 본 논문에서는 쇼트피닝 가공이 Al 7075-T6의 부식 피로 수명에 어떠한 영향을 주는지 알아보기 위하여 쇼트피닝 가공한 시험편과 가공하지 않은 시험편에 대해 부식시간에 따른 피로수명과의 관계를 회전굽힘 피로시험을 통하여 비교해 보고자 한다.
제안 방법
- 선정해야 한다. 따라서 가장 높은 피로수명을 갖는 피닝강도 조건을 찿기 위해 선행연구를 기초로 쇼트피닝기의 알멘강도가 포화가 되는 투사시간을 4분으로 고정해 0.8mm 쇼트볼로 쇼트피닝 가공하였고, 실험을 통하여 아크하이트 (Arc height)가 0.341mmA 일 때를 최적조건으로 선정하였다[9]. Table 3은 쇼트피닝 조건을 나타낸 것이다.
- 쇼트피닝 전과 쇼트피닝 후 재료표면의 경도분포 및 표면조도의 변화를 관찰하였다. 표면 경도분포 측정을 위하여 시험편의 중앙부를 다이아몬드 컷팅기를 이용하여 절단, 채취한 후 절단면을 프레스 마운팅하여 미세하게 연마하였으며 마이크로 비커스 경도계 (Micro Vickers hardness tester, MOK-E3)를 사용하여 시험편의 표면으로부터 시험편의 중심부 방향으로 측정하였다.
- 4는 본 실험에 사용된 피로시험기로서 Ono type 4절점 회전굽힘 피로시험 기(SHIMADZU, H7)를 사용하였다. 응력비 (stress ratio, R)는 -1, 적용 응력의 증감은 파단강도를 기준으로 추의 무게로 조절하였으며, 1 사이클 이후에 파단된 응력을 피로한도로 채택하였다. 피로시험기의 회전수는 장비에 무리가 가지 않는 범위인 1, 800~2, 200 rpm으로 하였고 시험편에 가해지는 응력은 순수 굽힘응력 상태로서 아래 식과 같이 정의된다.
- 설정한 부식시간에 도달한 시험편은 NaCl 수용액에서 꺼내 흐르는 물에 세척하여 염분을 제거하였다. 이때 시험편 표면에 생긴 염분생성물을 완전히 제거될 때까지 세척하였으며, 세척후 공기 중에서 수분이 증발될 때까지 건조시켜 상온에서 피로시험을 실시하였다.
- 표면 경도분포 측정을 위하여 시험편의 중앙부를 다이아몬드 컷팅기를 이용하여 절단, 채취한 후 절단면을 프레스 마운팅하여 미세하게 연마하였으며 마이크로 비커스 경도계 (Micro Vickers hardness tester, MOK-E3)를 사용하여 시험편의 표면으로부터 시험편의 중심부 방향으로 측정하였다. 측정조건으로 시험압입하중은 50gf, 압입시간 20초로 설정하여 경도를 측정하였고, 시험편의 측정간격은 표면에서 0.4mm 지점까지 0.02mm 간격으로 측정하였다.
- 및 표면조도의 변화를 관찰하였다. 표면 경도분포 측정을 위하여 시험편의 중앙부를 다이아몬드 컷팅기를 이용하여 절단, 채취한 후 절단면을 프레스 마운팅하여 미세하게 연마하였으며 마이크로 비커스 경도계 (Micro Vickers hardness tester, MOK-E3)를 사용하여 시험편의 표면으로부터 시험편의 중심부 방향으로 측정하였다. 측정조건으로 시험압입하중은 50gf, 압입시간 20초로 설정하여 경도를 측정하였고, 시험편의 측정간격은 표면에서 0.
- 표면의 거칠기를 비교하기 위하여 쇼트피닝 처리한 시험편과 일반 시험편의 조도를 측정하였다. Fig.
- 표면조도는 표면조도계 (Mitutoyo, SJ-400) 를 이용하여 측정하였으며 중심선 평균거칠기 (Ra) 와최대거칠기(Rmax), 10점 평균 거칠기(Rz)를 측정하였다.
- 피로시험은 쇼트피닝 가공 전, 후의 굽힘에 대한 피로수명의 변화를 관찰하기 위하여 회전 굽힘 피로시험을 수행하였다. Fig.
대상 데이터
- 수행하였다. Fig. 4는 본 실험에 사용된 피로시험기로서 Ono type 4절점 회전굽힘 피로시험 기(SHIMADZU, H7)를 사용하였다. 응력비 (stress ratio, R)는 -1, 적용 응력의 증감은 파단강도를 기준으로 추의 무게로 조절하였으며, 1 사이클 이후에 파단된 응력을 피로한도로 채택하였다.
- 본 실험에 사용한 시험편 재료는 고강도 알루미늄 합금인 Al 7075-T6를 사용하였으며, 재료의 화학적 성분과 기계적 성질은 Table 1과 Table 2 에 나타내었다. 피로시험편은 중앙부의 최소직경이 8mm가 되게 가공하였으며, 가공 후에 #2000 sand paper로 연마하고 시 metal polish 액으로 연마하였다.
- 본 실험에서 설정한 부식환경은 증류수에 시약용 NaCK 섞어 만든 3.5%의 NaCl 수용액이몌10, 11], 시험편은 용존산소 없이 밀폐하여 상온에서 각각 1주에서 1년까지 침수하여 보관하였다. Fig.
성능/효과
- 10은 부식환경 하에서 1주에서 1년 동안쇼트피닝에 의한 피로강도 및 피로수명의 변화를 보여주고 있다. &N선도 결과로부터 쇼트피닝 처리한 시험편의 경우 1달까지는 큰 차이는 나타나지 않았으며, 1년을 침수시킨 시험편은사이클을 기준으로 피로한도는 약 16% 감소하였다. Table 6은 1주에서 1년동안 부식되었을 때 피로 강도의 감소량을 나타낸 것이다.
- (1) 쇼트피닝 처리했을 때의 표면에서의 경도값은 일반 시험편보다 약 16.7% 증가하였다.
- (2) IxlO7 사이클을 기준으로 상온에서 쇼트피닝 처리한 시험편의 피로한도는 일반 시험편의 피로한도보다 약 52%의 피로한도가 증가하였다.
- (3) 부식환경 하에서 일반 시험편은 침수 후부터 2주까지 피로강도 및 피로수명이 급격하게 감소하였으나, 쇼트피닝 처리한 시험편은 24주까지 피로 특성의 변화가 거의 없어 부식환경에서 우수한 효과가 있다.
- Fig. 9는 1주에서 1년까지 부식시킨 후 그래프로 나타낸 것으로 그래프에서 보듯이 일반 시험편의 lxlY 사이클을 기준으로 1주 부식시킨 시험편의 피로강도는 150 MPa로 부식되지 않은 시험편의 피로강도 206 MPa보다 약 27% 감소하였고, 2주 부식시킨 시험편의 피로강도는 125 MPa로서 약 39% 감소하였다. 그러나 1달, 1년부식시킨 시험편은 2주 부식시킨 시험편과 크게차이가 나지 않았다.
- 향상을 보여주고 있다. S-N선도 결과로부터 1x10, 사이클을 기준으로 해서 쇼트피닝 전과 후의 시험편을 비교해보면 쇼트피닝 처리한 시험편의 피로한도는 약 315 MPa이고 일반시험편의 피로한도는 약 206 MPa로서 약 52%의 피로한도가 증가하였다.
- 그래프에서 보이듯이 1년을 기준으로 했을 때 일반 시험편의 피로강도 IxlO7 사이클을 기준으로 약 42% 감소하였고, 쇼트피닝 처리한 시험편의 피로강도는 약 16% 감소된 것으로 나타났다. 그래프에 나타낸 바와 같이 쇼트피닝 처리한 시험편은 부식환경 속에서 일반 시험편보다 우수한 효과를 나타냈다. 이는 쇼트피닝 가공에 의해 재료 내부에 생성된 압축잔류응력이 표면 보호층을 형성하여 부식 피로균열에 대한 저항력이 더 높아졌기 때문으로 생각된다[12, 13].
- 11은 일반 시험편과 쇼트피닝 처리한 시험편을 비교 편의상 최대 부식기간인 1년을 기준으로 부식조건 하에서 피로수명을 비교한 것이다. 그래프에서 보이듯이 1년을 기준으로 했을 때 일반 시험편의 피로강도 IxlO7 사이클을 기준으로 약 42% 감소하였고, 쇼트피닝 처리한 시험편의 피로강도는 약 16% 감소된 것으로 나타났다. 그래프에 나타낸 바와 같이 쇼트피닝 처리한 시험편은 부식환경 속에서 일반 시험편보다 우수한 효과를 나타냈다.
- 쇼트피닝 처리한 시험편 표면부에서 높은 경도를 나타내는 것을 알 수 있는데 이는 쇼트볼의 운동에너지가 재료 표면에 소성변형을 주었기 때문이다. 또한 중심부로 갈수록 수렴하는 경향을 보이고 있는데 이는 쇼트볼이 재료의 표면에 투사되면서 재료의 극 표면부에만 가공경화가 일어났고 내부로 갈수록 에너지 전달이 작아져서 수렴하는것으로 판단된다.
- 또한, 일반 시험편보다 부식에 의한 영향이 매우 느린 것으로 나타났다.
- 7은 쇼트피닝 처리한 시험편과 일반 시험편의 표면을 촬영한 사진이다. 쇼트피닝 가공한 시험편이 쇼트피닝 가공흐지 않은 시험편보다 요철이 상대적으로 크게 나타남을 보여준다.
- 쇼트피닝 처리한 시험편의 경우, IxlO, 사이클을 기준으로 6개월(24주)까지는 부식에 의한 피로한도의 변화가 없었으며, 24주부터 1년(48주) 이 되었을 때 피로한도 266 MPa로 약 16% 감소하였다. 또한, 일반 시험편보다 부식에 의한 영향이 매우 느린 것으로 나타났다.
- 쇼트피닝 처리한 시험편의 최대 거칠기 높이 (Rmax) 는 34.88um, 중심선 평균 거칠기(Ra) 는 6.59um, 10점 평균 거칠기(Rz)는 24.08um로 나타났으며, 일반시험편의 최대 거칠기 높이(Rmax)는 l-16/zm, 중심선 평균 거칠기(Ra)는 0.13um, 10점 평균 거칠기(Rz)는 0.62um로 나타났다. Fig.
- 12는 쇼트피닝 처리한 시험편과 일반 시험편을 1주에서 1년동안 부식 시켰을 때 피로강도의 변화를 보여주고 있다. 일반 시험편의 경우 IxlO7 사이클을 기준으로 피로한도 206 MPa, 1주 부식된 시험편의 피로한도 150 MPa로 약 27% 감소하였고, 2주 부식된 시험편은 피로한도 125 MPa로 약 39% 감소하여 큰 폭의 감소를 보였으나, 1달(4주)이후부터 1년까지 피로강도의 변화가 거의 없었다.
후속연구
- (4) 쇼트피닝 처리한 시험편은 부식환경 하에서 내부식성이 강해 추후 알루미늄 합금 구조물에 적용 가능할 것으로 생각된다.
- 이상과 같이 쇼트피닝 처리한 시험편이 부식피로특성에 우수한 효과를 보였으며, 추후 부식환경하의 실제 구조물에도 적용 가능할 것으로판단된다.
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