본 논문에서는 알루미늄 7075-T6 재료의 부식 기간별 표면 산화막 형성이 피로거동에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 사용된 알루미늄 재료는 부식에 대한 부동태화 현상으로 부식저항 특성이 높은 금속으로 알려져 있다. 알루미늄 합금은 다른 재료에 비해 가볍고 강한 재료 특성 때문에 항공기 부품 산업과 같은 다양한 산업분야에서 널리 사용되고 있다. 때문에 부식에 대한 재료의 피로거동 특성과 부식에 대한 부동태화 특성에 대한 연구가 요구된다. 4절점 회전 굽힘 시험기를 사용하여 부식 기간별 재료의 피로거동 특성을 확인하였고, 표면 거칠기를 측정하여 부식 기간별 알루미늄 재료의 표면 부식 정도를 평가하였다. 또한 전자주사현미경을 통해 파단면 분석 및 재료 표면에 형성된 산화막을 측정하였다. 실험결과 초기 부식 4주 동안은 부식이 활발히 진행되어 피로수명은 크게 감소하고 표면 거칠기는 증가하였다. 하지만 4주 이후부터 재료의 부동태화 현상으로 부식 반응이 둔화되는 경향을 보였다. 전자주사현미경을 통한 분석에서도 표면 산화막의 성장이 4주 이후부터 둔화되어 재료 표면의 산화막이 보호층 역할을 하여 더 이상의 부식진행을 방지한다는 결론은 얻었다.
본 논문에서는 알루미늄 7075-T6 재료의 부식 기간별 표면 산화막 형성이 피로거동에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 사용된 알루미늄 재료는 부식에 대한 부동태화 현상으로 부식저항 특성이 높은 금속으로 알려져 있다. 알루미늄 합금은 다른 재료에 비해 가볍고 강한 재료 특성 때문에 항공기 부품 산업과 같은 다양한 산업분야에서 널리 사용되고 있다. 때문에 부식에 대한 재료의 피로거동 특성과 부식에 대한 부동태화 특성에 대한 연구가 요구된다. 4절점 회전 굽힘 시험기를 사용하여 부식 기간별 재료의 피로거동 특성을 확인하였고, 표면 거칠기를 측정하여 부식 기간별 알루미늄 재료의 표면 부식 정도를 평가하였다. 또한 전자주사현미경을 통해 파단면 분석 및 재료 표면에 형성된 산화막을 측정하였다. 실험결과 초기 부식 4주 동안은 부식이 활발히 진행되어 피로수명은 크게 감소하고 표면 거칠기는 증가하였다. 하지만 4주 이후부터 재료의 부동태화 현상으로 부식 반응이 둔화되는 경향을 보였다. 전자주사현미경을 통한 분석에서도 표면 산화막의 성장이 4주 이후부터 둔화되어 재료 표면의 산화막이 보호층 역할을 하여 더 이상의 부식진행을 방지한다는 결론은 얻었다.
In this study, the effects of surface oxide film formation on the fatigue behavior of 7075-T6 aluminum alloy were analyzed in terms of the corrosion time of the alloy. The aluminum material used is known to have high corrosion resistance due to the passivation phenomenon that prevents corrosion. Alu...
In this study, the effects of surface oxide film formation on the fatigue behavior of 7075-T6 aluminum alloy were analyzed in terms of the corrosion time of the alloy. The aluminum material used is known to have high corrosion resistance due to the passivation phenomenon that prevents corrosion. Aluminum alloys have been widely used in various industrial applications such as aircraft component manufacturing because of their lighter weight and higher strength than other materials. Therefore, studies on the fatigue behavior of materials and passivation properties that prevent corrosion are required. The fatigue behavior in terms of the corrosion time was analyzed by using a four-pointing bending machine, and the surface corrosion level of the aluminum material in terms of the corrosion time was estimated by measuring the surface roughness. In addition, fractographic analysis was performed and the oxide films formed on the material surface were studied by scanning electron microscopy (SEM). The results indicated that corrosion actively progressed for four weeks during the initial corrosion phase, the fatigue life significantly decreased, and the surface roughness increased. However, after four weeks, the corrosion reaction tended to slow down due to the passivation phenomenon of the material. Therefore, on the basis of SEM analysis results, it was concluded that the growth of the surface oxide film was reduced after four weeks and then the oxide film on the material surface served as a protection layer and prevented further corrosion.
In this study, the effects of surface oxide film formation on the fatigue behavior of 7075-T6 aluminum alloy were analyzed in terms of the corrosion time of the alloy. The aluminum material used is known to have high corrosion resistance due to the passivation phenomenon that prevents corrosion. Aluminum alloys have been widely used in various industrial applications such as aircraft component manufacturing because of their lighter weight and higher strength than other materials. Therefore, studies on the fatigue behavior of materials and passivation properties that prevent corrosion are required. The fatigue behavior in terms of the corrosion time was analyzed by using a four-pointing bending machine, and the surface corrosion level of the aluminum material in terms of the corrosion time was estimated by measuring the surface roughness. In addition, fractographic analysis was performed and the oxide films formed on the material surface were studied by scanning electron microscopy (SEM). The results indicated that corrosion actively progressed for four weeks during the initial corrosion phase, the fatigue life significantly decreased, and the surface roughness increased. However, after four weeks, the corrosion reaction tended to slow down due to the passivation phenomenon of the material. Therefore, on the basis of SEM analysis results, it was concluded that the growth of the surface oxide film was reduced after four weeks and then the oxide film on the material surface served as a protection layer and prevented further corrosion.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
사용된 알루미늄 시험편의 부식기간별 표면 산화막 형성 특성과 피로거동 평가를 위해 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM)과 에너지 분산형 분석장치(energy dispersive spectroscopy, EDS)로 피로실험에 사용된 환봉 시험편의 표면에 형성된 산화막의 성분을 측정하였다. 또한, 부식 기간에 따른 파단면분석(fractography)을 실시하여 알루미늄 재료의 부식 환경에서의 피로거동 특성과 표면 산화막의 부동태화(passivation) 현상이 재료의 피로거동에 미치는 영향에 대한 모델을 제시하고자 한다. 일반적으로 회전 굽힘 피로실험에서 모든 피로균열은 외부 표면에서부터 발생하여 내부로 진전하게 된다.
본 논문에서는 국내의 항공우주 기술발전과 자동차 산업의 발전으로 알루미늄 금속에 대한 수요가 증가될 것으로 예상하여 알루미늄 7075-T6 시험편을 일정기간동안 염수환경 부식조건에서 부식시킨 후부식기간에 따른 재료 표면의 산화막 특성과 피로수명 변화에 대한 원인 규명을 통해 알루미늄 재료의 부동태화 특성과 피로거동 관계를 분석하고자 한다.
6과 같은 부식에 의한 초기크랙(initial crack)의 발생은 재료 표면의 부식지점에서 피로균 열파단 특성을 나타내게 된다. 본 실험에서는 부식 기간별 피로파단면 분석을 통해 부식 환경의 표면 산화막 형성이 피로거동 특성에 어떻게 작용하는지 연구하였다.
본 연구에서는 사용량과 산업범위가 증가하고 있는 알루미늄 7075-T6 재료의 3.5% NaCl 부식 환경에서의 산화막 형성이 피로 거동에 미치는 영향에 대해 알아보았으며, 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
2와 같은 밀폐용기를 교반하였다. 계획된 부식 시간에 도달한 시험편을 밀폐용기에서 꺼내어 흐르는 물에 세척하여 염분을 제거하였으며, 세척후 상온에서 자연 건조하여 시험편의 최소 단면적 부분을 탐촉자의 평가길이가 4mm인 표면조도계를 사용하여 Fig. 3의 부식기간별 재료 표면의 중심선 평균값(Ra)과최대 거칠기(Rmax)를 측정하여 부식정도를 평가하였다.
1은 ASTM E466 규격에 의거 제작된 피로시험편의 형상을 나타낸 것으로, 최소 직경이 8mm가 되도록 가공하였다. 또한, 재료 표면을 sand paper와 metal polish 용액을 사용하여 재료 표면을 연마하였다.
부식기간별 재료의 피로거동 특성을 확인하기 위하여 Fig. 4와 같은 4절점 회전 굽힘 피로시험기(SHIMADZU, H7)를 사용하여 피로실험을 실시 하였다. 피로시험기의 회전수를 2,000±10 rpm으로 일정하게 설정하였으며, 순수 굽힘 응력 상태의 응력 발생은 식 (1)으로 정의된다.
사용된 알루미늄 시험편의 부식기간별 표면 산화막 형성 특성과 피로거동 평가를 위해 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM)과 에너지 분산형 분석장치(energy dispersive spectroscopy, EDS)로 피로실험에 사용된 환봉 시험편의 표면에 형성된 산화막의 성분을 측정하였다. 또한, 부식 기간에 따른 파단면분석(fractography)을 실시하여 알루미늄 재료의 부식 환경에서의 피로거동 특성과 표면 산화막의 부동태화(passivation) 현상이 재료의 피로거동에 미치는 영향에 대한 모델을 제시하고자 한다.
피로실험에 적용된 응력은 Fig. 5의 S-N 선도를 바탕으로 수명 결과에 소성성분을 배재하기 위해 수명분포가 1×10 5 cycles 이상의 장수명(high cycles) 영역에서 응력성분을 결정하여 피로실험을 진행하였다.
대상 데이터
본 실험에 사용된 알루미늄 7075-T6 재료는 고강도 합금으로 항공기주요부품, 기계부품에 사용되고 있다. 재료의 T6 온도의 열처리를 통하여 최대의 강도를 유도하였으며, 부식저항 능력도 높은 금속으로 알려져 있다.
본 연구에 사용된 부식조건은 현장 구조물에 적용 가능한 부식 환경을 만들기 위하여 Table 3과 같은 실제 바다의 평균 염분 농도를 기준으로 3.5% NaCl(35g of dissolved salts per liter) 부식용액을 만들어 사용하였다.(10,11) 부식용액은 밀폐용기를 사용하여 부식액이 담긴 용기 내부의 용존 산소를 제거하였으며, 상온조건에서 일정기간의 부식기간 동안 NaCl의 침전을 방지하기 위해 일정시간마다 Fig.
성능/효과
(1) 부식저항이 높은 재료로 알려져 있지만 초기부식 기간부터 피로수명 감소가 발생하였다. 이 같은 결과는 알루미늄 금속의 활발한 초기부 식특성 때문으로 판단된다.
(2) 동일한 하중조건에서 부식전의 피로수명은 1.4x10⁵ cycles이었으나, 4주 부식후 5.3x10⁴ cycles로 약 37% 수준으로 피로수명 감소가 발생하였으나, 4주 이후로 수명감소가 둔화되었다.
(3) 표면 거칠기 측정데이터 결과에서도 부식기 간에 따라 표면 거칠기 값이 증가하였지만, 피로수명 데이터와 같은 경향으로 부식기간이 증가 할수록 그 증가량이 둔화되었다.
(4) 파단면분석(fractography)을 통해 부식피로 파단면의 초기크랙 위치에서 공식 부식이 발생하였음을 확인하였고, 부식이 발생한 위치에 국부 적인 응력집중 현상이 발생되어 재료의 피로수명이 감소하였다.
8에 도시 하였다. 그 결과 중심선 평균값은 0.13㎛에서 0.38㎛로 약 3배 증가하였으며, 최대 거칠기 값도 1.2㎛에서 3.7㎛로 약 3.1배 증가하였다.
10은 에너지 분산형 분석장치(energy dispersive spectroscopy, EDS)로 재료표면에 생성된 산화막의 성분을 측정한 결과이다. 파단면과 재료표면을 분석한 결과 파단면에서는 검출되지 않은 산소(oxygen) 성분이 부식 환경에 노출되었던 재료 표면에서 검출됨으로서 부식으로 인해 생성된 산화막 층임을 확인하였다.
피로수명 실험과 표면 거칠기 실험 결과에서 초기부식 4주 동안은 부식이 활발히 진행되어 피로수명 감소와 표면 거칠기 값의 증가를 보였지만, 4주 이후로 부식경향이 둔화되는 경향을 확인하였다. 이 같은 결과는 알루미늄 금속의 초기 부식특성 경향으로 재료의 활발한 초기 부식이후에 부식으로 인해 재료 표면에 형성된 산화막이 부동태화(passivation) 되어 더 이상의 부식 발생을 방지하는 보호층(protection layer) 역할을 하기 때문으로 판단된다.
후속연구
(6) 본 연구에서는 알루미늄 7075-T6의 부식 기간에 따른 피로거동 특성을 연구하였으며, 실제 부식환경의 현장에서 알루미늄 재료를 사용하기 위해서는 부식을 방지하기 위한 후처리 공정이 요구된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
해수환경에 노출된 현장 구조물의 큰 위험 요소는?
금속재료의 부식은 해수환경에 노출된 현장 구조물의 큰 위험 요소로서 재료의 건전성(integrity)을 확보하는데 큰 요소로 주목받고 있으며,(1,2) 사용량이 증가하고 있는 알루미늄 재료에 부식 특성 연구는 더욱 활발히 진행되고 있다.(3~5)
알루미늄 합금의 특성과 이용분야는?
사용된 알루미늄 재료는 부식에 대한 부동태화 현상으로 부식저항 특성이 높은 금속으로 알려져 있다. 알루미늄 합금은 다른 재료에 비해 가볍고 강한 재료 특성 때문에 항공기 부품 산업과 같은 다양한 산업분야에서 널리 사용되고 있다. 때문에 부식에 대한 재료의 피로거동 특성과 부식에 대한 부동태화 특성에 대한 연구가 요구된다.
본 연구에서 알루미늄 7075-T6 재료의 3.5% NaCl 부식 환경에서의 산화막 형성이 피로 거동에 미치는 영향을 연구한 결과는 무엇인가?
(1) 부식저항이 높은 재료로 알려져 있지만 초기부식 기간부터 피로수명 감소가 발생하였다. 이 같은 결과는 알루미늄 금속의 활발한 초기부 식특성 때문으로 판단된다.
(2) 동일한 하중조건에서 부식전의 피로수명은 1.4x10⁵ cycles이었으나, 4주 부식후 5.3x10⁴ cycles로 약 37% 수준으로 피로수명 감소가 발생하였으나, 4주 이후로 수명감소가 둔화되었다.
(3) 표면 거칠기 측정데이터 결과에서도 부식기 간에 따라 표면 거칠기 값이 증가하였지만, 피로수명 데이터와 같은 경향으로 부식기간이 증가 할수록 그 증가량이 둔화되었다.
(4) 파단면분석(fractography)을 통해 부식피로 파단면의 초기크랙 위치에서 공식 부식이 발생하였음을 확인하였고, 부식이 발생한 위치에 국부 적인 응력집중 현상이 발생되어 재료의 피로수명이 감소하였다.
(5) 하지만, 재료 표면에 형성된 산화막의 부동 태화가 표면 보호층 역할을 하게 되어 더 이상의 부식 발생을 방지하였다. 때문에 8주 이후 부식 기간 동안은 일정한 피로수명을 얻었다.
(6) 본 연구에서는 알루미늄 7075-T6의 부식 기간에 따른 피로거동 특성을 연구하였으며, 실제 부식환경의 현장에서 알루미늄 재료를 사용하기 위해서는 부식을 방지하기 위한 후처리 공정이 요구된다.
참고문헌 (12)
Christian Vargel, 2004, Corrosion of Aluminium, Elsevier, pp. 9-291.
Kang, D. H., Choi, S. W., Lee, J. K. and Kim, T. W., 2009, "Load Conditions and Corrosion Fatigue Crack Propagation Behavior of High Performance Steel Under Seawater Environment," Trans. of the KSME(Spring Annual Meeting), pp. 78-81.
Hill, J.-A., Tracey, M., Maria, F., Patrick, C. H. and Bruce, R. W., Hinton, 2011, "Corrosion1 Inhibition of 7000 Series Aluminium Alloys with Cerium Diphenyl Phosphate," Journal of Alloys and Compounds, Vol. 509, Issues 5, pp. 1683-1690.
Jones, K. and Hoeppner, D. W., 2009, "The Interaction Between Pitting Corrosion, Grain Boundaries, and Constituent Particles During Corrosion Fatigue of 7075-T6 Aluminum Alloy," International Journal of Fatigue, Vol. 31, Issues 4, pp. 686-692.
Chlistovsky, R. M., Heffernan, P. J. and DuQuesnay, D. L., 2007, "Corrosion-Fatigue Behaviour of 7075-T651 Aluminum Alloy Subjected to Periodic Overloads," International Journal of Fatigue, Vol. 29, Issues 9-11, pp. 1941-1949.
Piprani, V., Prachi, S., Verma, B. B. and Ray, P. K., 2009, "Fatigue Life Estimation of Pre-Corroded Aluminium Alloys Specimen," Dept. of Metallurgical and Materials Engineering National Institute of Technology, VIKAS Piprani 10504017.
Itoi, Y., Akio, H., Eiichi S. and Kazuo, T., 1980, "Corrosion Resistance of Aluminum Oxide Film and Electrolytically Coloured Film in Sodium Chloride Solution," Electrochimica Acto, Vol. 25, Issues 12, pp. 1297-1302.
Ensinger, W., Lensch, O., Knecht, L., Volz, K., and Kiuchi, M., 2002, "Pitting Corrosion of Aluminum Coated by Ion Beam Assisted Deposition of Carbon with Argon Ions at Different Ion-to-Atom Arrival Ratios," Surface and Coating Technology, Vol. 158-159, pp. 594-598.
Lin, C. K. and Yang, S. T., 1998, "Corrosion Fatigue of 7975 Aluminum Alloy in Different Tempers," Engineering Fracture Mechanics, Vol. 59, No. 6, pp. 779-795.
Huppatz, W. and Meissner, H., 1987 "Effect of the Temperature and Salt Content of Sea Water on the Corrosion Behavior of Aluminium," Werkstoffe und Korrosion, vol. 38, pp. 709-710.
Ameen, M. S., 1995, "Fractography: Fracture Topography as a Tool in Fracture Mechanics and Stress Analysis. an Introduction," Geological Society Special Publication, No. 92, pp. 1-10.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.