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문제 정의
- 본 연구에서는 압축에서의 형상기억합금 양방향 형상기억특성을 얻기 위한 기초 실험을 수행하였다. 표준 원통형 시편과 작동기 형상의 튜브형 시편으로 최대 압축 변형률에 따른 양방향 변형률과 양방향 회복력을 측정하였다.
제안 방법
- 25mm가 된다. Fig. 6과 Fig. 7에서 양방향 변형률이 최대 변형률 5%에서 수렴하는 것을 확인하였으므로 Tube2는 최대 변형률을 4%와 6%로 압축 실험을 수행하였으며 Tube3은 최대 변형률 5%로 수행하였다. Fig.
- 그러나 최대 변형률 6%에서는 양방향 변형률이 더 이상 증가하지 않고 5%에서와 같은 결과를 나타내어 양방향 변형률이 수렴하는 것을 확인하였다. 그리고 양방향 변형률 생성에 의한 양방향 회복력을 측정하기 위해 시편에 약 5MPa의 작은 압축응력을 주어 양 끝 변위를 구속시킨 후 열 사이클을 실행하였다. Fig.
- 두 시편 모두 600°C에서 30분 동안 풀림(Annealing)처리를 하였으며 그 후에 퀜칭(quenching)을 하였다.
- 또한 실제 작동기 형상의 외경 20mm, 내경 10mm, 길이 60mm 형상기억합금을 제작하여 원통형 시편과 같은 방법으로 양방향 형상기억효과를 유도하여 양방향 변형률과 회복력을 측정하였다.
- 시편의 지름은 20mm, gage length는 60 mm이다. 또한 실제 작동기에 적용하기 위해 작동기 형상을 갖는 외경 20mm, 내경 10mm, 길이 60mm 튜브형 시편을 제작하여 압축실험을 수행하여 양방향 형상기억효과를 유도한 후 양방향 변형률을 측정하여 비교하였다. Fig.
- 두 시편 모두 600°C에서 30분 동안 풀림(Annealing)처리를 하였으며 그 후에 퀜칭(quenching)을 하였다. 변형률을 측정하기 위하여 strain gage를 사용하였으며 시편을 가열하기 위해 유연하고 구부릴 수 있는 히터 2개를 전원 공급 장치에 연결하여 시편 둘레에 부착하였고 열 손실을 방지하기 위해 히터 둘레에 다시 절연 물질인 stretch tape을 감쌌다. 이 tape은 히터와 시편을 밀착시킬 뿐만 아니라 시편과 외부 공기를 단열시켜서 가열 효율을 높여준다.
- 3과 같다. 본 실험에서는 변위 제어 방식으로 변위 변화율을 0.125mm/min로 설정하여 수행하였다. 실험에 앞서 시차주사열량계(Differential Scanning Calorimetry : DSC)를 통하여 무응력 하에서의 상변이 온도를 측정하였으며 결과는 Table 2와 같다.
- 시편 두께에 따른 양방향 형상기억효과 특성을 알아보기 위해 외경 10mm, 내경 6.5mm, 길이 60mm 시편과 외경 9mm, 내경 6.5mm, 길이 60mm 시편을 이용하여 압축 실험을 통해 양방향 형상기억효과를 유도하였다. 외경 20mm는 Tube1, 외경 10mm는 Tube2, 외경 9mm는 Tube3라 하고 각각의 두께는 5mm, 1.
- 압축에서의 양방향 특성을 얻기 위해 ASTM E9 규격의 원통형 시편을 사용하였으며 압축실험을 통해 양방향 형상기억효과를 유도하였다. 압축실험은 최대 변형률에 따라 5번의 부하, 제하, 가열, 냉각을 반복하는 사이클을 수행하여 양방향 변형률의 생성정도를 확인하였다. 시편의 지름은 20mm, gage length는 60 mm이다.
- 제조사에서 제공하는 재료의 기본적인 물성은 Table 1에 나타내었다. 압축에서의 양방향 특성을 얻기 위해 ASTM E9 규격의 원통형 시편을 사용하였으며 압축실험을 통해 양방향 형상기억효과를 유도하였다. 압축실험은 최대 변형률에 따라 5번의 부하, 제하, 가열, 냉각을 반복하는 사이클을 수행하여 양방향 변형률의 생성정도를 확인하였다.
- 연구에서는 표준 시편으로 압축 반복하중에 대한 형상기억합금의 양방향 형상기억효과 특성을 파악하고, 실제 작동기 형상의 튜브형 형상기억합금을 제작하여 양방향 형상기억효과에 의한 양방향 변형률(Two-way strain)과 양방향 회복력(Two-way Shape Recovery Stress)을 정량적으로 측정하였다.
- 이 tape은 히터와 시편을 밀착시킬 뿐만 아니라 시편과 외부 공기를 단열시켜서 가열 효율을 높여준다. 온도는 K type thermocouple을 spot welding 방식으로 부착하여 측정하였다. 압축실험은 MTS (Material Test System)를 사용하였으며 이 장비의 축 방향 최대하중은 250kN이다.
- 본 연구에서는 압축에서의 형상기억합금 양방향 형상기억특성을 얻기 위한 기초 실험을 수행하였다. 표준 원통형 시편과 작동기 형상의 튜브형 시편으로 최대 압축 변형률에 따른 양방향 변형률과 양방향 회복력을 측정하였다. 실험 결과 형상기억합금은 압축 최대변형률 5%에서 양방향 변형률이 수렴하는 것을 확인 하였고, 튜브형 시편의 경우 두께에 따라 최대 양방향 변형률은 거의 일정하게 나타나지만 양방향 형상회복력은 두께가 작을 때 커진 것을 확인하였다.
대상 데이터
- 본 실험에서는 사용한 재료는 Nitinol Devices and Components사의 SM495 형상기억합금을 사용하였다. SM495는 Ni(54.
- 압축실험은 최대 변형률에 따라 5번의 부하, 제하, 가열, 냉각을 반복하는 사이클을 수행하여 양방향 변형률의 생성정도를 확인하였다. 시편의 지름은 20mm, gage length는 60 mm이다. 또한 실제 작동기에 적용하기 위해 작동기 형상을 갖는 외경 20mm, 내경 10mm, 길이 60mm 튜브형 시편을 제작하여 압축실험을 수행하여 양방향 형상기억효과를 유도한 후 양방향 변형률을 측정하여 비교하였다.
- 온도는 K type thermocouple을 spot welding 방식으로 부착하여 측정하였다. 압축실험은 MTS (Material Test System)를 사용하였으며 이 장비의 축 방향 최대하중은 250kN이다. 전체 실험 구성은 Fig.
성능/효과
- 30%로 측정되었다. Fig. 7과 같이 원통형 시편과 마찬가지로 최대 변형률에 따라 비례적으로 양방향 변형률이 증가하며 최대 변형률 5%에서 수렴하는 것을 확인하였다. 그러나 원통형 시편보다 최대 양방향 변형률이 더 크게 생성되는 것을 볼 수 있으며, 이것은 튜브형 시편이 원통형 시편보다 균질하게 열처리되었음을 나타낸다.
- 4는 원통형 시편의 각각의 최대 변형률에 따라 5번의 부하, 제하, 가열, 냉각 사이클을 수행한 후 무하중 상태에서 가열과 냉각에 의한 열 사이클을 통해 얻은 변형률과 온도 그래프이다. 각각의 양방향 변형률을 살펴보면, 최대 변형률 1% 후에는0.33%, 최대 변형률 2%, 3%, 4%, 5%, 6% 후에는 각각 0.65%, 0.99%, 1.35%, 1.7%, 1.7%로 나타났다.
- 5). 그러나 최대 변형률 6%에서는 양방향 변형률이 더 이상 증가하지 않고 5%에서와 같은 결과를 나타내어 양방향 변형률이 수렴하는 것을 확인하였다. 그리고 양방향 변형률 생성에 의한 양방향 회복력을 측정하기 위해 시편에 약 5MPa의 작은 압축응력을 주어 양 끝 변위를 구속시킨 후 열 사이클을 실행하였다.
- 둘째로 초탄성효과는 높은 온도 환경에서 최초의 오스테나이트 상에서 응력을 증가시켰을 경우 역쌍정구조 마르텐사이트 상으로 상변이하게 되고 현재 환경이 고온이므로 응력을 제거시키는 과정에서 후방향 상변이가 발생하여 원래의 형상으로 되돌아가는 현상이다. 이때 응력-변형률 선도에서 이력현상(hysteresis)이 발생한다.
- 표준 원통형 시편과 작동기 형상의 튜브형 시편으로 최대 압축 변형률에 따른 양방향 변형률과 양방향 회복력을 측정하였다. 실험 결과 형상기억합금은 압축 최대변형률 5%에서 양방향 변형률이 수렴하는 것을 확인 하였고, 튜브형 시편의 경우 두께에 따라 최대 양방향 변형률은 거의 일정하게 나타나지만 양방향 형상회복력은 두께가 작을 때 커진 것을 확인하였다. 이것은 시편의 두께가 작을수록 단면적이 균질하게 열처리됨을 나타내며 Tube2와 Tube3에서는 균질한 와이어를 이용한 인장시험에서 얻을 수 있는 큰 회복력을 측정할 수 있었다.
- 12, 13). 지금까지의 실험 결과로 보아 튜브형 형상기억합금의 경우 시편 두께가 작아지더라도 최대 변형률 5%와 6%에서 양방향 변형률이 거의 변하지 않고 일정하게 나타났다.
- 최대 변형률 1%부터 각각의 양방향 변형률은 0.3%, 0.75%, 1.20%, 1.50%, 2.30%, 2.30%로 측정되었다. Fig.
- 최대 변형률이 증가할수록 양방향 변형률이 비례적으로 증가하는 것을 볼 수 있다(Fig. 5). 그러나 최대 변형률 6%에서는 양방향 변형률이 더 이상 증가하지 않고 5%에서와 같은 결과를 나타내어 양방향 변형률이 수렴하는 것을 확인하였다.
- 최대 변형률이 증가함에 따라 양방향 회복력도 증가함을 알 수 있으며 최대 -210MPa로 측정되었다.
후속연구
- 향후 계획으로는 양방향 형상기억효과에 직접적으로 영향을 주는 소성변형량과 양방향 변형률과 회복력의 관계를 고찰하고, 형상기억합금의 두께에 따라 단면적의 균질성을 높일 수 있는 열처리 방법을 연구하고자 한다.
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