[논문]Ni과잉 Ti-Ni 합금의 형상기억특성 및 피로 특성에 미치는 시효처리의 영향

김재일; 성장현; 미야자키 슈이치; 이상화

Ni과잉 Ti-Ni 합금의 형상기억특성 및 피로 특성에 미치는 시효처리의 영향
Effects of Aging Treatment on Shape Memory and Fatigue Properties in Ni-rich Ti-Ni Alloy 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.20 no.1, 2007년, pp.11 - 16

김재일 (동아대학교 신소재공학과) , 성장현 (동아대학교 신소재공학과) , 미야자키 슈이치 (일본 축파대학 물질공학계) , 이상화 (동아대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The fatigue properties of Ti-Ni shape memory alloy wires were investigated. In Ni-rich Ti-Ni shape memory alloys, $Ti_3Ni_4$ precipitates formed by aging treatments are believed to vary the shape memory and mechanical properties. In this study, the effect of aging temperature and aging time on shape memory properties and fatigue life were investigated using Ti-50.9 at% Ni alloy wires. The specimens were solution-treated at 1073 K for 3.6 ks followed by aging at 573 K, 673 K and 773 K for periods between 3.6 ks and 3600 ks. It was found that the fatigue life under a constant stress decreased with increasing aging temperature. When the specimens were aged at 573 K for periods between 36 ks and 360 ks, superior shape memory and fatigue properties were obtained. The fatigue life also decreased when the test temperature and strain amplitude increased. It was concluded that the fatigue life exhibited a linear relationship with the critical stress for slip.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

특히 시효처리에 의한 석출물이 피로특성에 미치는 영향에 관한 연구는 전무한 실정이다. 그러므로 본 연구에서는 회전 굽힘 피로시험기(Rotary-bending fatigue test)을 이용하여 시효처리가 Ni-과잉 Ti-Ni 합금의 피로특성에 미치는 영향을 조사하였다.

제안 방법

또한 시효처리가 끝난 시료는 산화피막 제거를 위하여 사포로 가볍게 폴리싱한 후 표면의 잔류응력을 제거하기 위하여 전해연마하였다. 기계적 특성은 시료의 가열 및 냉각을 쉽게 하기 위하여 실리콘 오일 챔버가 부착되어 있는 인장시험기를 사용하여 시험하였다. 인장시험은 218 K에서 383 K의 온도 범위에서 수행되었다.
이 용체화 처리재는 다시 573 K, 673 K, 773 K의 온도에서 1시간에서 1000시간까지 시효처리를 한 후 급냉하였다. 또한 시효처리가 끝난 시료는 산화피막 제거를 위하여 사포로 가볍게 폴리싱한 후 표면의 잔류응력을 제거하기 위하여 전해연마하였다. 기계적 특성은 시료의 가열 및 냉각을 쉽게 하기 위하여 실리콘 오일 챔버가 부착되어 있는 인장시험기를 사용하여 시험하였다.
그림에서 보는 바와 같이 시료는 특정한 변형률(strain amplitude)을 가하기 위하여 구부린 후 시료 양끝을 고정하였으며 이 때 아래쪽에는 인장변형이, 위쪽에는 압축변형이 가해지게 된다. 또한 이 굽힘 정도에 의해 시료에 가해지는 변형률(strain amplitude)을 조절하였다. 이러한 변형률은 아래와 같은 식에 의해 구해진다.
최종적으로 제작한 선재의 냉간 가공율은 30%이었다. 인장시험용 및 피로시험용으로 선재를 각각 40 mm와 100 mm의 길이로 절단한 후 표면의 산화피막을 제거하기 위해서 사포로 폴리싱을 하였으며. 모든 시료는 1073 K에서 3.

대상 데이터

그리고 이 상태에서 오른쪽 모터가 회전하므로 시료의 중앙부는 인장 및 압축 변형을 연속적으로 받게 되어 회전수의 증가에 따라 피로가 누적되어서 결국 파단에 이르게 된다. 시료는 실리콘오일 챔버에 담구어져서 시험온도가 조절 되며 피로시험은 308 K에서 368 K 범위에서 수행하였고 Fig. 1의 4번의 광센서가 회전수를 측정한다. 그리고 시료의 회전속도는 400 rpm으로 고정하였다.

성능/효과

573 K의 시효재의 피로 수명은 시효시간이 증가함에 따라 증가하여 최대값을 보인 후 감소하였다. 이것은 임계슬립응력(σ_s)와 시효시간과의 관계와 같은 경향을 보였다.
573K의 시효재의 임계슬립응력(σ_s)은 시효시간의 증가와 함께 증가하여 최대값을 나타낸 후 감소하였고 피로특성은 10hr와 100hr의 시효재에서 양호하였다.
모든 시효재의 정하중 하에서 구한 피로수명은 시효조건에 관계없이 임계슬립응력(σ_s)과 직선적인 관계를 보였다.
회전-굽힘 피로 시험 시 시료는 압축-인장이 반복되면서 마르텐사이트 변태 및 그 역변태를 반복하게 되어 격자에 결함이 누적되고 그 결과 파단에 이르게 된다. 본 연구의 결과는 시효처리에 의해 형성된 미세하고 치밀하게 분포하는 Ti₃Ni₄ 석출물은 마르텐사이트 변태 시 수반하는 격자의 뒤틀림에 의한 결함의 도입을 억제하는데 효과적이란 것을 알 수 있도록 한다.
시효온도가 증가함에 따라 석출물의 조대화가 빠르며, 이로 인하여 전위이동이 보다 용이하게 일어나기 때문에 σ_s가 감소한다고 사료된다. 이 결과로부터 1시간 시효재의 경우는 시효온도가 증가함에 따라 피로수명도 감소할 것으로 예상된다.
9at%Ni 합금은 고주파 진공유도에서 용해하였으며 용해된 Ingot는 열간 단조 및 열간 압출한 후 냉간 인발과 중간온도에서 어닐링을 반복하면서 직경 1 mm의 선재로 만들었다. 최종적으로 제작한 선재의 냉간 가공율은 30%이었다. 인장시험용 및 피로시험용으로 선재를 각각 40 mm와 100 mm의 길이로 절단한 후 표면의 산화피막을 제거하기 위해서 사포로 폴리싱을 하였으며.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Ti-Ni 합금의 특징 및 응용 분야는?	Ti-Ni 합금은 우수한 형상기억 특성뿐만 아니라 내식성, 생체적합성, 가공성 등이 뛰어나 공업분야 및 생체분야에서 폭 넓게 응용되어지고 있다. 이러한 Ti-Ni 합금의 형상기억 특성에 미치는 인자로써는 냉간가공 후 중간온도에서의 어닐링처리[1-4], 용체화 처리 후 시효처리[1, 2, 5-7], 제 3원소(Fe, Cu, Al 등) 첨가[8-10] 등을 들 수 있다.
	Ti-Ni 합금의 형상기억 특성에 영향을 미치는 인자에는 어떠한 것들이 있는가?	Ti-Ni 합금은 우수한 형상기억 특성뿐만 아니라 내식성, 생체적합성, 가공성 등이 뛰어나 공업분야 및 생체분야에서 폭 넓게 응용되어지고 있다. 이러한 Ti-Ni 합금의 형상기억 특성에 미치는 인자로써는 냉간가공 후 중간온도에서의 어닐링처리[1-4], 용체화 처리 후 시효처리[1, 2, 5-7], 제 3원소(Fe, Cu, Al 등) 첨가[8-10] 등을 들 수 있다. 이 중 시효 처리는 전처리 과정에서 시료의 형상의 변화 없이 사용할 수 있고 시효 석출물에 의해 안정한 형상기억효과를 얻을 수 있는 방법이다.
	Ti-50.9at%Ni 합금의 피로특성과 기계적 성질에 미치는 시효의 영향을 조사하기 위하여 573 K-773K의 온도범위에서 1 hr-1000 hr의 사이의 시간에서 시효처리를 하여 인장시험과 회전-굽힘 피로 시험(Rotary-bending fatigue test)을 수행한 결과는 어떻게 나타났는가?	573K의 시효재의 임계슬립응력(σs)은 시효시간의 증가와 함께 증가하여 최대값을 나타낸 후 감소하였고 피로특성은 10hr와 100hr의 시효재에서 양호하였다. 시효 온도가 증가함에 따라 임계슬립응력(σs)은 직선적으로 감소하였다. 피로 수명은 시험온도가 상승함에 따라 변형 진폭(εa)가 증가함에 따라 감소하였다. 573 K의 시효재의 피로 수명은 시효시간이 증가함에 따라 증가하여 최대값을 보인 후 감소하였다. 이것은 임계슬립응력(σs)와 시효시간과의 관계와 같은 경향을 보였다. 모든 시효재의 정하중 하에서 구한 피로수명은 시효조건에 관계없이 임계슬립응력(σs)과 직선적인 관계를 보였다.

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