Ti-6Al-4V 재에 다양한 표면처리방법을 통하여 나노스킨화된 피로시험편을 제작하고 회전굽힘피로 시험과 축하중 인장압축피로시험을 수행하였다. 특히 S-N 곡선에서 초음파나노표면개질(UNSM)법은 국내특허기술로 다른 처리법들보다 우수한 결과를 보였고, UNSM 처리된 직경 5 mm 재는 6 mm 티타늄재를 대치 가능할 성능을 얻었다. UNSM 처리된 $10^6$ 사이클 이상의 장수명영역에서 피로강도가 크게 향상되는 시험결과를 얻었다. 균열발생 패턴의 분석을 통하여 Ti-6Al-4V 재는 응력의 작용형태에 따라 표면균열발생형(surface originating crack type)과 내부균열발생형(interior originating crack type)인 어안균열(fish eye crack)이 발생하는 메커니즘을 분석하였다.
Ti-6Al-4V 재에 다양한 표면처리방법을 통하여 나노스킨화된 피로시험편을 제작하고 회전굽힘피로 시험과 축하중 인장압축피로시험을 수행하였다. 특히 S-N 곡선에서 초음파나노표면개질(UNSM)법은 국내특허기술로 다른 처리법들보다 우수한 결과를 보였고, UNSM 처리된 직경 5 mm 재는 6 mm 티타늄재를 대치 가능할 성능을 얻었다. UNSM 처리된 $10^6$ 사이클 이상의 장수명영역에서 피로강도가 크게 향상되는 시험결과를 얻었다. 균열발생 패턴의 분석을 통하여 Ti-6Al-4V 재는 응력의 작용형태에 따라 표면균열발생형(surface originating crack type)과 내부균열발생형(interior originating crack type)인 어안균열(fish eye crack)이 발생하는 메커니즘을 분석하였다.
Nanoskins were fabricated on a Ti-6Al-4V material by carrying out various surface treatments, i.e., deep rolling, laser shot peening, and ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM). These surface treatments are newly developed techniques and are becoming more popular for industrial applicati...
Nanoskins were fabricated on a Ti-6Al-4V material by carrying out various surface treatments, i.e., deep rolling, laser shot peening, and ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM). These surface treatments are newly developed techniques and are becoming more popular for industrial applications. Fatigue tests were carried out using material test system (MTS); these tests included the axial loading tension-compression fatigue test (R = -1, RT, 5 Hz, sinusoidal wave) and rotating bending fatigue test (R = -1, RT, 3200 rpm). The analysis of the crack initiation pattern in the UNSM-treated material indicated that the crack was interior originating in the axial loading tension-compression cycle, and was surface originating in the bending fatigue test. UNSM treatment significantly improved the fatigue strength for the regime of above $10^6$ cycles that S-N curve of rotating bending stress clearly show the performance of a 5 mm titanium specimen after UNSM treatment is similar to that of an untreated 6 mm titanium specimen.
Nanoskins were fabricated on a Ti-6Al-4V material by carrying out various surface treatments, i.e., deep rolling, laser shot peening, and ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM). These surface treatments are newly developed techniques and are becoming more popular for industrial applications. Fatigue tests were carried out using material test system (MTS); these tests included the axial loading tension-compression fatigue test (R = -1, RT, 5 Hz, sinusoidal wave) and rotating bending fatigue test (R = -1, RT, 3200 rpm). The analysis of the crack initiation pattern in the UNSM-treated material indicated that the crack was interior originating in the axial loading tension-compression cycle, and was surface originating in the bending fatigue test. UNSM treatment significantly improved the fatigue strength for the regime of above $10^6$ cycles that S-N curve of rotating bending stress clearly show the performance of a 5 mm titanium specimen after UNSM treatment is similar to that of an untreated 6 mm titanium specimen.
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문제 정의
본 연구에서는 여러 신기술로 처리된 Ti-6Al-4V 재를 사용하여 축하중 인장압축피로시험과 회전굽힘피로시험을 실시하여 구한 S-N 곡선에서 피로 강도를 비교, 평가하고, 균열발생 메커니즘에 관하여 내부피로균열발생(interior originating fatigue crack)형 혹은 표면피로균열발생(surface originating fatigue crack)형의 균열발생에 관하여 다른 연구결과와 비교하려고 한다.(1~9)
1(b)와 같은 피로시험편을 사용하여 축방향 인장압축피로시험(R=−1, 5Hz, RT, sinusoidal wave)을 실시하여 얻은 응력과 피로수명 곡선인 S-N 곡선이다. 여기에는 UNSM 처리 효과를 다른 표면처리기술과 비교하기 위하여 미처리재, LSP(Laser Shot Peening) 및 DR(Deep Rolling) 처리재의 피로시험결과를 동시에 나타내었다.
제안 방법
(a)의 광학현미경 사진의 형상과 크기를 정밀하게 파악하기 위하여 SEM(scanning electron microscope)을 통하여 ×100 배율로 관찰한 사진으로 횡축의 균열길이를 정확하게 산출 가능하였다.
본 연구에서는 Table 1 와 같은 조건으로 Ti-6Al-4V 재에 UNSM 을 처리하여 피로시험편을 제작하였다. 이를 통하여 표면경도의 상승과 함께, 표면 조도 Ra 가 0.
이 압축잔류 응력은 XRD(X-Ray Diffraktometer, XStress 3000)장치로 표면에서 5 µm 씩 전해연마 실시 후 측정하였다.
22 로 크게 감소하는 등의 좋은 기계적인 특성을 얻을 수 있었다. 이렇게 제작된 시험편으로 인장시험과 피로시험을 실시하였다. 이 때 미처리 Ti 재는 사포 200 번부터 100 번씩 증가시키면서 2000 번까지 연마한 후 버핑하여 선반가공에 의한 영향을 최대한 없애도록 노력하였다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 Ti 재는 고급 Ti 재로서 (Ti-6Al-4V), Al 5.5~6.5%, V 4%를 함유하고 있다.
성능/효과
(1) 회전굽힘피로시험의 경우: 미처리재(직경 6 mm)와 UNSM 처리재(5 mm)와의 하중-피로파단 수명곡선은 비슷하였으며, 피로파단곡선은 직선상에 잘 수렴하였다. d=5 mm 인 UNSM 처리 Ti 재는 6 mm 미처리재의 직선상에 분산대가 다소 생기면서 수렴되었다.
(2) 직경 5 mm 인 Ti 피로시험편에 UNSM 처리를 한 경우 분산대가 크지만 피로수명에서 약 69%의 피로강도의 증가 효과가 생겼다.
(3) 미처리 Ti 재와 UNSM 처리재(d=5 mm)의 거시적인 피로파단특징은 응력레벨의 차이에 큰 영향 없이 표면상에서 피로균열이 발생(surface originating fatigue crack)하여 성장하여 피로파단(fatigue fracture) 되는 파면특징을 가졌다.
(4) 축방향 인장압축피로시험: UNSM 처리를 한 티타늄 피로시험편은 106 사이클에서 피로강도가 미처리재보다 48.6%, LSP 처리재보다 22.2%, DR 처리재보다 14.6% 상승하였다. DR 처리재는 106 사이클에서 미처리재보다 29.
(5) 높은 압축잔류응력은 피로수명에 따라 피로 과정 중에 응력이완 현상이 생김을 확인할 수 있 었다. 인장하중보다 표면에서 압축잔류응력이 큰 축방향피로시험에는 깊이방향의 응력의 차감에 따라 압축잔류응력이 소멸되는 깊이 450 µm ~ 580µm 근방에서 “−” 하중이 “+” 하중으로 변하게 된다.
여기에서 연구된 3 가지의 표면개질기술인 UNSM, DR, LSP 처리재는 미처리재에 비하여 각각 48.6%, 29.7%, 21.6%씩이나 피로강도가 크게 상승하였다. 특히 이러한 표면개질처리효과는 106 사이클 이상의 장수명 영역에서 매우 좋은 결과를 나타내고 있으며 이러한 효과는 다른 재료에서도 확인되고 있다.
직경 6 mm 시험편에 UNSM 처리를 실시하여 피로시험을 수행하면 “△”로 나타낸 것과 같은 실험 결과가 얻어졌다. 다소 분산도가 크게 나타났지만 처리재보다 피로수명 104 회에서 피로강도가 약 31% 증가하였다. 이와 같이 Ti-6Al-4V 에 UNSM 처리를 하여 표면상에 압축잔류응력을 형성시키면 피로강도가 30% 이상 증가하는 것은 매우 우수한 표면개질(surface modification)이 된 것으로 평가된다.
이 사진에서 발열에 의하여 생긴 청열의 푸른색을 알 수 있었다. 또 UNSM 처리선에 따라 작은 표면피로균열이 복수로 다수 발생, 성장, 합체하여 큰 피로균열로 파단되는 현상을 관찰할 수 있었다.
미처리 6 mm 재의 연신율은 22%(δ=3.3 mm, L=15 mm)이였고, UNSM 처리된 5 mm 재의 연신율은 16.7%(δ=2.5 mm, L=15 mm)정도로 web 상에서 구한 연신율 10% 보다는 약간 큰 편이였다.
여기에서 연구된 3 가지의 표면개질기술인 UNSM, DR, LSP 처리재는 미처리재에 비하여 각각 48.6%, 29.7%, 21.6%씩이나 피로강도가 크게 상승하였다. 특히 이러한 표면개질처리효과는 106 사이클 이상의 장수명 영역에서 매우 좋은 결과를 나타내고 있으며 이러한 효과는 다른 재료에서도 확인되고 있다.
이 UNSM 기술을 적용하여 얻어진 기계적 물성치 향상과 기대효과는 깊고 큰 압축잔류응력의 형성, 표면의 미소 팀플형성, 표면경도 증가, 결정의 나노화 등의 특성으로 고사이클피로(HCF)와 기가 사이클피로(Very High cycle fatigue, VHCF), SCC(stress corrosion cracking) 등의 분야에서 피로강도의 증가가 매우 크고, 마찰계수 감소로 마모특성 향상 및 내마모성이 매우 좋아졌다.(3,4,6,7)
이 그림에서 피로강도 면으로는 UNSM 처리 효과가 가장 우수하였고, 그 다음으로 DR 의 처리 효과도 좋았으며 LSP 의 처리효과가 좀 떨어졌다. 그러나 미처리재에 비하면 LSP 도 좋은 효과를 얻 었다.
이러한 일련의 피로시험과정에서 특히 직경 5 mm 인 경우는 UNSM 효과가 매우 뛰어나 큰 하 중에서도 우수한 결과를 보였다. 즉 UNSM 처리된 직경 5 mm 인 경우는 미처리재 6 mm 인 시편과 같은 하중에서 비슷한 피로수명을 가지고 장수명 영역에서는 그 이상의 피로수명을 나타내므로 UNSM 효과에 의하여 부품의 소형화가 가능함을 입증하였다.
본 연구에서는 Table 1 와 같은 조건으로 Ti-6Al-4V 재에 UNSM 을 처리하여 피로시험편을 제작하였다. 이를 통하여 표면경도의 상승과 함께, 표면 조도 Ra 가 0.71 에서 0.22 로 크게 감소하는 등의 좋은 기계적인 특성을 얻을 수 있었다. 이렇게 제작된 시험편으로 인장시험과 피로시험을 실시하였다.
이러한 일련의 피로시험과정에서 특히 직경 5 mm 인 경우는 UNSM 효과가 매우 뛰어나 큰 하 중에서도 우수한 결과를 보였다. 즉 UNSM 처리된 직경 5 mm 인 경우는 미처리재 6 mm 인 시편과 같은 하중에서 비슷한 피로수명을 가지고 장수명 영역에서는 그 이상의 피로수명을 나타내므로 UNSM 효과에 의하여 부품의 소형화가 가능함을 입증하였다.
d=5 mm 인 UNSM 처리 Ti 재는 6 mm 미처리재의 직선상에 분산대가 다소 생기면서 수렴되었다. 특히 고응력 저수명 영역에서는 UNSM 효과가 적고 피로시험편의 굽힘이 심하며 수명이 다소 짧아지는 경향이 생겼지만 장수명 영역에서는 UNSM 효과가 잘 나타나서 피로수명이 증가하는 경향을 나타내었다.
6%씩이나 피로강도가 크게 상승하였다. 특히 표면개질처리효과는 UNSM 을 포함하여 106 이상의 장수명영역에서 좋은 결과를 나타내었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
티타늄의 사용분야는 어떻게 되는가?
최근 Ti(티타늄)의 여러 좋은 특성 때문에 항공기, 로켓재료뿐만 아니라, 외과수술용 채내 삽입용, 치과용, 스포츠용 등에도 널리 사용되고 있다.
UNSM 기술은 어떤 특허를 받은 기술인가?
국내에서 개발된 UNSM 기술은 초음파 진동에너지를 응용하여 아주 큰 정적하중 및 동적하중이 부가된 볼(ball)로 1 초에 20,000 번 이상의 타격 (1,000~10,000 회/mm2 정도)을 금속표면에 가하여, 표면을 SPD 로 되게 한다. 이로 인해 표면층의 미시조직을 나노결정 조직(nano-crystalized structure)으로 개질 됨과 동시에 아주 크고 깊은 압축잔류응력 등을 형성시키는 특허기술이다.(3,4)
UNSM 기술을 적용하면 어떤 이점이 있는가?
이 UNSM 기술을 적용하여 얻어진 기계적 물성치 향상과 기대효과는 깊고 큰 압축잔류응력의 형성, 표면의 미소 팀플형성, 표면경도 증가, 결정의 나노화 등의 특성으로 고사이클피로(HCF)와 기가 사이클피로(Very High cycle fatigue, VHCF), SCC(stress corrosion cracking) 등의 분야에서 피로강도의 증가가 매우 크고, 마찰계수 감소로 마모특성 향상 및 내마모성이 매우 좋아졌다.(3,4,6,7)
참고문헌 (9)
Altenberger, I., 2005, "Deep Rolling - The Past, The Present and The Future," Proc. 9th Int. Conf. on Shot Peening, pp.144-155.
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