[논문]Ti-6Al-4V재의 UNSM처리에 의한 축인장압축피로특성변화

서창민; 조성암; 편영식; 서민수

doi:10.5574/ksoe.2011.25.6.042

[국내논문] Ti-6Al-4V재의 UNSM처리에 의한 축인장압축피로특성변화
Variation of Axial Tension-Compression Fatigue Characteristics by UNSM on Ti-6Al-4V 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.25 no.6 = no.103, 2011년, pp.42 - 48

서창민 (경북대학교 공과대학 기계공학부) , 조성암 (경북대학교 치의학전문대학원) , 편영식 (선문대학교 공과대학 기계공학부) , 서민수 (국민대학교 신소재공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The present study makes three original contributions to nanoskinned Ti-6Al-4V materials. The nanoskins were fabricated on Ti-6Al-4V material using various surface treatments: deep rolling (DR), laser shot peening (LSP), and ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM). These surface treatments are newly developed techniques and are becoming more popular in industrial fields. A fatigue strength comparison at up to 106 cycles was conducted on these nanoskinned Ti-6Al-4V materials. Fatigue tests were carried out using MTS under axial loading tension-compression fatigue (R = -1, RT, 5 Hz, sinusoidal wave). The analysis of the crack initiation patterns in the nanoskinned Ti-6Al-4V materials found an interior originating crack pattern and surface originating crack type. Microscopic observation was mainly used to investigate the fatigue fractured sites. These surface modification techniques have been widely adopted, primarily because of the robust grade of their mechanical properties. These are mainly the result of the formation of a large-scale, deep, and useful compressive residual stress, the formation of nanocrystals by the severe plastic deformation (SPD) at the subsurface layer, and the increase in surface hardness.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 신기술로 처리된 Ti-6Al-4V재를 사용하여 축하중 인장압축피로시험을 실시하여 구한 S-N curves에서 피로강도를 비교/평가하고, 균열발생 메커니즘에 관하여 내부피로균열발생(Interior originating fatigue crack)형 혹은 표면피로균열발생(Surface originating fatigue crack)형 등의 균열발생에 관하여 다른 연구결과와 비교하려고 한다(Chai, 2006; Petit et al., 2007; Ochi, et al., 2011; Zuo, et al., 2007; Sarrazin-Baudoux, et al., 2011).
1와 같은 피로시험편을 사용하여 축방향 인장압축피로시험을 실시하여 얻은 응력과 피로수명곡선인 S-N 곡선이다. 여기에는 UNSM처리 효과를 다른 표면처리기술과 비교하기 위하여 미처리재, LSP (Laser shot peening) 및 DR (Deeprolling)과의 피로시험결과를 동시에 나타내었다. 이 그림에서 피로강도면으로는 UNSM처리 효과가 가장 우수하였고, 그 다음으로 DR의 처리 효과도 좋았으며 LSP의 처리효과가 좀 떨어졌다.

제안 방법

본 연구에서는 Ti-6Al-4V재를 사용하여 Table 2와 같은 조건으로 UNSM처리하여 피로시험편을 제작하였다. 그러면 Table 3과 같이 표면경도가 상승하였고, 표면조도가 감소하는 좋은 기계적인 특성을 얻을 수 있었다.
그러면 Table 3과 같이 표면경도가 상승하였고, 표면조도가 감소하는 좋은 기계적인 특성을 얻을 수 있었다. 이렇게 제작된 시험편으로 인장시험과 피로시험을 실시하였다. 이 때 미처리 Ti재는 사포 200번부터 100번씩 증가시키면서 2000번까지 연마한 후 버핑하여 선반가공에 의한 영향을 최대한 없애도록 노력하였다.
잔류응력은 XRD (X-ray diffraktometer, XStress 3000)장치로 표면에서 2Θ-sin2ψ법으로 5 μm씩 전해연마 실시 후 측정하였다.
인장시험편은 KS규격에 맞추어서 직경 6mm와 직경 5mm인 것을 제작하여 사용하였다. 피로시험은 MTS 유압피로시험기를 사용하여 5Hz로 실온에서 Sinusoidal wave로 축방향 인장압축피로시험을 실시하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 Ti는 고급 Ti재(Ti-6Al-4V, Extra low interstitial; Al 5.5~6.5%, V 4%)를 함유하였다. 본 연구에 사용된 시험편의 형상은 Fig.
5%, V 4%)를 함유하였다. 본 연구에 사용된 시험편의 형상은 Fig. 1와 같이 직경 7mm인 축하중 인장압축피로시험 (R= -1)용이다. 시험편상에 가공한 단 (Step)은 축하중 인장압축피로시험을 조정하기 위하여 고안된 것이다.
시험편상에 가공한 단 (Step)은 축하중 인장압축피로시험을 조정하기 위하여 고안된 것이다. 인장시험편은 KS규격에 맞추어서 직경 6mm와 직경 5mm인 것을 제작하여 사용하였다. 피로시험은 MTS 유압피로시험기를 사용하여 5Hz로 실온에서 Sinusoidal wave로 축방향 인장압축피로시험을 실시하였다.

성능/효과

(1) 본 연구에 사용된 Ti-6Al-4V(Extra low interstitial)에 UNSM처리를 하면 10⁶ 사이클 피로강도가 미처리재보다 48.6% 증가하는 연구결과를 얻었다. 즉 UNSM처리기술이 매우 우수한 표면개질기술임이 확인되었다.
(2) UNSM처리를 한 Ti피로시험편은 10⁶ 사이클에서 피로강도가 미처리재보다 48.6%, LSP처리재보다 22.2%, DR처리재보다 14.6% 상승하였다. DR처리재는 10⁶ 사이클에서 미처리재보다 29.
(3) S-N곡선에서 피로강도면으로는 UNSM처리 효과가 가장 우수하였고, 그 다음으로 DR의 처리 효과도 좋았으며 LSP의 처리효과가 떨어졌다. 특히 표면개질처리효과는 UNSM을 포함하여 10⁶ 이상의 장수명 영역에서 매우 좋은 결과를 나타내고 있었다.
(4) 높은 압축잔류응력은 시험편에 작용하는 응력조건에 따라 피로과정중에 생기는 응력이완 현상으로 계략적으로 분석할 수 있었다. 인장작용하중보다 표면에서 압축잔류응력이 크므로 깊이방향의 응력의 차감에 따라 압축잔류응력이 소멸되는 깊이 450μm ~ 580μm 근방에서 “-”하중이 “+”하중으로 변하게 된다.
10(b)는 Fig. 10(a)와 같이 형성된 높은 압축잔류응력은 시험편에 작용하는 응력조건에 따라 파단수명의 절반까지 지나면 초기잔류응력보다 약 40%까지 감소하는 응력이완(Stress relaxation)현상을 나타내고 있다.
6% 상승하였다. 여기에서 UNSM, DR, LSP처리재는 미처리재에 비하여 각각 48.6%, 29.7%, 21.6%씩이나 피로강도가 크게 상승하였다. 특히 이러한 표면개질처리효과는 10⁶ 이상의 장수명 영역에서 매우 좋은 결과를 나타내고 있으며 이러한 효과는 다른 재료에서도 확인되고 있다 (Suh and Pyun et al.
6% 상승하였다. 여기에서 UNSM, DR, LSP처리재는 미처리재에 비하여 각각 48.6%, 29.7%, 21.6%씩이나 피로강도가 크게 상승하였다. 특히 이러한 표면개질처리효과는 10⁶ 이상의 장수명 영역에서 매우 좋은 결과를 나타내고 있으며 이러한 효과는 다른 재료에서도 확인되고 있다 (Suh and Pyun et al.
여기에는 UNSM처리 효과를 다른 표면처리기술과 비교하기 위하여 미처리재, LSP (Laser shot peening) 및 DR (Deeprolling)과의 피로시험결과를 동시에 나타내었다. 이 그림에서 피로강도면으로는 UNSM처리 효과가 가장 우수하였고, 그 다음으로 DR의 처리 효과도 좋았으며 LSP의 처리효과가 좀 떨어졌다.
인장시험편은 UNSM처리와 미처리재 모두 중앙부에서 인장 파단되었으며 보통 연성이 큰 연강(Mild steel)재와 유사하게 necking부가 뚜렷하게 나타났고, 부분적인 Cup and cone의 형상을 잘 나타내었다. 미처리 Ti재(d=6mm)의 연신율은 22%(δ=3.
(3) S-N곡선에서 피로강도면으로는 UNSM처리 효과가 가장 우수하였고, 그 다음으로 DR의 처리 효과도 좋았으며 LSP의 처리효과가 떨어졌다. 특히 표면개질처리효과는 UNSM을 포함하여 10⁶ 이상의 장수명 영역에서 매우 좋은 결과를 나타내고 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Ti재는 어디에 사용되고 있는가?	최근 Ti의 여러 좋은 특성들이 부각되면서 항공기, 로켓재료 뿐만 아니라, 외과수술용 체내 삽입용, 치과 임플란트용, 스포츠용 등의 다양한 분야에도 Ti재는 널리 사용되고 있다. 또 Ti는 크리프강도가 크므로 항공기의 고속화, 경량화와 더불어 미래의 항공기 및 우주산업에 이용도가 높아지는 경향이 있다.
	Ti는 어떤 경향이 있는가?	최근 Ti의 여러 좋은 특성들이 부각되면서 항공기, 로켓재료 뿐만 아니라, 외과수술용 체내 삽입용, 치과 임플란트용, 스포츠용 등의 다양한 분야에도 Ti재는 널리 사용되고 있다. 또 Ti는 크리프강도가 크므로 항공기의 고속화, 경량화와 더불어 미래의 항공기 및 우주산업에 이용도가 높아지는 경향이 있다.
	UNSM 기술을 적용하여 얻어진 기계적 물성치 향상과 기대효과는?	이 UNSM 기술을 적용하여 얻어진 기계적 물성치 향상과 기대효과를 정리하면 Table 1과 같다. 즉 깊고 큰 압축잔류응력의 형성, 표면의 미소 팀플형성, 표면경도 증가, 결정의 나노화 등의 특성으로 고사이클피로(High cycle fatigue, HCF)와 기가사이클피로(Very high cycle fatigue, VHCF, Giga cycle fatigue), SCC(Stress corrosion cracking) 등의 분야에서 피로강도의 증가가 매우 크고, 마찰계수 감소로 마모특성 향상 및 내마모성이 매우 좋아졌다(Suh et al., 2007; 편영식 등, 2009; Suh et al.

참고문헌 (14)

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Ochi, Y., Matsumura, T., Sasaki, R., Masaki,. K., Sakai, T. and Sano, Y. (2011). "Effects of Laser Peening Treatment Without Protective Coation on High Cycle Fatigue Property of Ti-6Al- 4V Alloy", 5th International conference on Very High Cycle Fatigue, pp 369-374.
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Sarrazin-Baudoux, C., Stanzl-Tschegg, S.E., Mayer, H. and Petit, J. (2011). "Ultra Slow Fatigue Crack Propagation in TA6V Titanium Alloy", 5th International conference on Very High Cycle Fatigue, pp 133-138.
Suh, C.M. and Pyun, Y.S. (2011). "Improvement of VHCF Properties of AISI 1045, 4137, 52100 & H13 Steel by UNSM Treatment", 2011년도 한국해양공학회 춘계학술대회.
Suh, C.M., Kim, M.H., Baek, U.B., Pyun, Y.S., Kim, C.S. and Chi, C.H. (2010a). "A Stduy on The Alternative Technonogy Using UNSM Instead of The Persetting Method for Torsion Bar", International journal of modern physics B, Vol 24, Nos 15-16, pp 2435-2440.

상세보기
Suh, C.M., Lee, M.H. and Pyoun, Y.S. (2010b). "Fatigue Characteristics of SKD-61 by Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification Technology Under Static Load Variation", International journal of modern physics B, Vol 24, Nos 15-16, pp 2645-2650.

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Suh, C.M., Song, G.H. Suh, M.S. and Pyoun, Y.S. (2007). "Fatigue and Mechanical Characteristic of Nano-structured Tool Steel by Ultrasonic Cold Forging Technology", Materials Science and Engineering A 443, pp 101-106.

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Thomas, M.B. (2002). "High Cycles Fatigue (HCF) Science and Technology Program 2001 Annual Report", AFRL-PR-WPTR-2002-2060.
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편영식, 박정현, 조인호, 김창식, 서창민 (2009). "초음파 나노표면개질기술의 특성과 활용방안 연구", 대한기계학회논문집(A), 33-3 pp 190-195.

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