[논문]순 타이타늄 인장 물성에 미치는 표면 거칠기의 영향에 대한 유한요소해석

백승미; 문지현; 김형섭

doi:10.5228/kstp.2017.26.2.108

순 타이타늄 인장 물성에 미치는 표면 거칠기의 영향에 대한 유한요소해석
Finite Element Analysis on the Effect of the Surface Roughness on the Tensile Properties of Pure Titanium 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.26 no.2, 2017년, pp.108 - 114

백승미 (포항공과대학교 신소재공학과) , 문지현 (포항공과대학교 신소재공학과) , 김형섭

Abstract ▼ AI-Helper

Titanium based implants are known to improve their osseointegration by controlling surface roughness from nanometers to micrometers. Implants continuously and/or repeatedly receive irregular loads in the human body, and require a deeper understanding of the tensile and fatigue properties that can determine the fracture characteristics of the materials. In this study, the plastic deformation behavior which depends on the surface geometry of the materials during tensile tests was analyzed using the finite element method. As a result, the tensile properties were greatly decreased with increasing the sharpness of the surface. On the other hand, the average roughness had no significant effect on tensile properties. This investigation shed a light on developing titanium implants with improved osseointegration by surface treatments.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

유한요소법은 시간적, 자원적 비용을 줄이면서도 다양한 표면 거칠기 조건에서 재료의 소성변형 거동을 재현하기에 적합한 전산모사 기법이다. 따라서, 본 연구에서는 유한요소법을 이용하여 인장 시험에서 재료의 표면 거칠기와 형태에 따라 달라지는 타이타늄의 소성변형 거동을 해석하고, 인장 물성을 저하하지 않는 표면 조건 설정에 대한 지표를 마련하고자 한다.
본 연구에서는 유한요소해석을 통해 표면 평균 거칠기와 첨도가 순 타이타늄의 인장 물성에 미치는 영향에 대해 분석하였다.

제안 방법

2와 같다. ABAQUS standard를 이용한 유한요소법을 통해 인장 시편의 두께 0.5mm, 표점 간거리 5mm인 시편에 대해 2차원 인장 시험을 모사하였으며 대칭 조건을 이용하여 전체 시편의 1/2 을 모사하였다. 사용된 요소 크기를 변화시켜가며 계산을 수행하여 요소 크기 민감도를 평가하였다.
25mm, L = 5mm로 가정하여 표면의 평균 거칠기와 첨도에 따라 형상화한 표면 조건은 Table 1과 같다. R1, R2, R4 는 같은 첨도 조건에 평균 거칠기만 변화를 주어 시편 두께 대비 평균 거칠기인 R_a/t 비율이 각각 1, 2, 4%가 되도록 구성하였다. R_ku10, R_ku20, R_ku30은 첨도만 변화를 주었으며 R_a/t 비율은 2%로 고정하였다.
5mm, 표점 간거리 5mm인 시편에 대해 2차원 인장 시험을 모사하였으며 대칭 조건을 이용하여 전체 시편의 1/2 을 모사하였다. 사용된 요소 크기를 변화시켜가며 계산을 수행하여 요소 크기 민감도를 평가하였다. 요소 크기가 작아짐에 따라 계산시 충분히 결과 값 (국부적인 응력, 변형률)이 수렴할 수 있도록 요소 간의 거리를 0.

대상 데이터

본 연구의 유한요소해석에 이용된 재료는 순 타이타늄이며 응력-변형률 선도(engineering stress-strain curve)는 Fig. 2와 같다. ABAQUS standard를 이용한 유한요소법을 통해 인장 시편의 두께 0.

성능/효과

Suh 등[11]은 인장 시편의 표면 거칠기가 있을 때 알루미늄의 인장강도가 감소할 수 있다는 것을 유한요소법을 통해 확인했다. R_a/t 비율이 높을수록 인장강도가 감소하는 정도가 증가하였는데, 1.58과 0.4mm 두께의 시편의 경우 R_a/t 비율이 각각 0.01, 0.38%였으며 표면 거칠기가 있을 때 인장강도가 각각 1, 6MPa씩 감소하였다. 그러나 인장강도가 감소한 폭이 매우 작고 연신율의 경우에도 차이가 매우 미미했다.
평균 거칠기가 가장 큰 R4의 경우에도 인장강도 값이 418 MPa로, 428MPa의 인장강도 값을 지닌 초기 시편의 경우보다 소폭 감소한 것을 확인하였다. 균일 연신 율도 평균 거칠기가 증가할수록 감소하는 경향을 보였다.
그러나 인장강도가 감소한 폭이 매우 작고 연신율의 경우에도 차이가 매우 미미했다. 본 연구에 이용된 조건에서도, R_a/t 비율이 1, 2, 4%로 높아질수록 인장강도가 감소하고 균일 연신율도 감소하였으나 큰 폭의 감소는 일어나지 않았다. 또한, 표면 거칠기가 있는 조건에서 표면의 골에 응력 집중 현상이 일어나는 것을 확인하였지만 그것이 큰 폭의 인장 물성 하락으로 이어지지는 않았다.
3% 였다. 첨도가 10, 20, 30으로 증가할수록 인장강도와 항복강도는 각각 12~46, 19~110MPa의 폭으로 감소하였으며 균일 연신율은 첨도가 10, 20일 때 감소하였다가 30일 때 증가하였다.
초기 시편에 비해 표면의 첨도가 증가할수록 인장 물성이 크게 감소한 반면, 평균 거칠기의 변화는 인장 물성에 큰 영향을 주지 않음을 확인하였다. 재료 표면의 첨도는 변형 시 응력 집중을 통해 국부 변형을 유발하여 인장 물성에 영향을 줄 수 있으므로, 인장 물성을 저하시키지 않는 표면의 형태를 고려할 때에는 표면의 첨도를 주된 요인으로 고려해야 한다.
초기 시편의 경우 시편 전체에 균일하게 응력이 분포되어 있으나, 표면 거칠기가 존재하는 경우 표면의 골에 응력 집중 현상이 나타났다. 특히, 평균 거칠기의 변화를 준 경우(Fig. 4)에는 골에 집중된 응력과 시편 내부의 응력 차이가 적은 편이었으나 첨도 변화를 준 경우에는 그 차이가 비교적 큰 것을 확인할 수 있었다.
3(b)에서 살펴보면, 모두 유사한 값을 가지는 것을 알 수 있다. 평균 거칠기가 가장 큰 R4의 경우에도 인장강도 값이 418 MPa로, 428MPa의 인장강도 값을 지닌 초기 시편의 경우보다 소폭 감소한 것을 확인하였다. 균일 연신 율도 평균 거칠기가 증가할수록 감소하는 경향을 보였다.
5(b)를 통하여 살펴보면, 첨도가 증가할수록 인장강도와 항복강도가 크게 감소하였다. 표면 거칠기가 없는 초기 시편의 경우 인장강도가 428 MPa 에 항복강도가 350MPa이고, 균일 연신율이 약 13.3% 였다. 첨도가 10, 20, 30으로 증가할수록 인장강도와 항복강도는 각각 12~46, 19~110MPa의 폭으로 감소하였으며 균일 연신율은 첨도가 10, 20일 때 감소하였다가 30일 때 증가하였다.

후속연구

재료 표면의 첨도는 변형 시 응력 집중을 통해 국부 변형을 유발하여 인장 물성에 영향을 줄 수 있으므로, 인장 물성을 저하시키지 않는 표면의 형태를 고려할 때에는 표면의 첨도를 주된 요인으로 고려해야 한다. 본 연구를 통하여 추후 타이타늄 임플란트의 개발에 있어서 표면조건 조절의 방향을 알 수 있다.
이번 유한요소해석을 통해 표면 형태가 인장 물성에 미치는 영향에 대해 의미 있는 결과를 얻을 수 있었으나 파단(fracture)을 고려하지 않아 정확한 총연신율의 값을 고려하기 어려운 점이 있었다. 파단이 고려되는 실제 실험에서는 표면 형태에 따른 인장 물성의 감소 폭이 더 클 것으로 판단되며, 특히 파단을 모사하는 유한요소해석의 후속연구가 기대되는 바이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	타이타늄계 임플란트의 거친 표면으로 인해 일어나는 문제점은 무엇인가?	이러한 이유로 인하여 금속 생체재료의 인장 및 피로 특성을 향상시키기 위한 연구가 지속적으로 진행되고 있다[3~5]. 타이타늄계 임플란트의 거친 표면은 골과 임플란트 계면의 접촉 표면적을 증가시켜 골유착(osseointegration)을 향상시키는 것으로 알려져 있다[6]. 상용화된 임플란트는 다양한 거칠기를 지니고 있으며, 나노미터에서부터 마이크로미터 단위까지의 표면 거칠기가 골세포에 주는 영향과 관련된 연구가 활발히 진행되고 있다[7~9].
	유한요소법은 무엇인가?	유한요소법은 시간적, 자원적 비용을 줄이면서도 다양한 표면 거칠기 조건에서 재료의 소성변형 거동을 재현하기에 적합한 전산모사 기법이다. 따라서, 본 연구에서는 유한요소법을 이용하여 인장 시험에서 재료의 표면 거칠기와 형태에 따라 달라지는 타이타늄의 소성변형 거동을 해석하고, 인장 물성을 저하하지 않는 표면 조건 설정에 대한 지표를 마련하고자 한다.
	금속 생체재료에 인장 및 피로 특성을 향상이 요구되는 이유는 무엇인가?	금속 생체재료는 반영구적으로 인체 내 경조직을 대체할 수 있는 재료이기 때문에, 장기간 사용 시의 파괴 특성이 매우 중요하다[2]. 특히 임플란트의 경우 지속적이고 반복적으로 불규칙한 외부 하중이 가해지므로 재료의 파괴 특성을 결정지을 수 있는 인장 및 피로 특성에 대한 깊은 이해가 요구된다.

참고문헌 (11)

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표제어: PCR

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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