형상 기억 합금(SMA)은 열기계적 자극에 대해 특유의 변형 반응을 보인다. 열기계적 자극은 고온, 변위, 고체-고체 상변환 등에서 발생한다(고온 고차상은 오스테나이트, 저온 저차상은 마르텐사이트). 반복적인 주기적 상변환은 전위의 점진적인 증가를 초래하고, 미변환 영역은 SMA의 기능을 저하시켜(기능적 피로) 미세 균열을 발생시킨다. 이러한 미세 균열의 수가 충분히 많아지면 결국 물리적 파손으로 이어진다. 따라서 이러한 합금의 피로 수명 거동을 이해하고, 값비싼 부품 폐기 문제를 해결하며, 재료 개발 및 제품 설계 주기를 단축하는 것은 막대한 경제적 이익을 가져다줄 것이다.
열기계적 피로는 아직 충분히 연구되지 않았으며, 특히 열기계적 사이클 하에서의 피로 균열 전파에 대한 연구는 부족합니다. 생체 의학 분야에서 형상기억합금(SMA)의 초기 적용에서는 피로 연구의 초점이 반복적인 기계적 하중 하에서 "결함 없는" 시편의 총 수명에 맞춰졌습니다. SMA 형상이 작은 응용 분야에서는 피로 균열 성장이 수명에 미치는 영향이 미미하므로, 연구는 균열 발생 방지에 집중되고 균열 성장 제어에는 집중되지 않습니다. 그러나 구동, 진동 저감 및 에너지 흡수 응용 분야에서는 빠른 동력 획득이 필수적입니다. SMA 부품은 일반적으로 파손 전 상당한 균열 전파가 발생할 수 있을 만큼 충분히 큽니다. 따라서 필요한 신뢰성과 안전 요구 사항을 충족하기 위해서는 손상 허용 방법을 통해 피로 균열 성장 거동을 완벽하게 이해하고 정량화해야 합니다. 파괴 역학 개념에 기반한 손상 허용 방법을 SMA에 적용하는 것은 간단하지 않습니다. 기존 구조용 금속과 비교했을 때, 가역적인 상전이와 열기계적 결합은 SMA의 피로 및 과부하 파괴를 효과적으로 설명하는 데 새로운 과제를 제시합니다.
미국 텍사스 A&M 대학교 연구진은 Ni50.3Ti29.7Hf20 초합금에서 순수 기계적 및 구동 피로 균열 성장 실험을 최초로 수행하고, 단일 매개변수로 피로 균열 성장 속도를 설명할 수 있는 적분 기반 파리스형 멱법칙 표현식을 제안했습니다. 이를 통해 다양한 하중 조건과 기하학적 형상 간에 균열 성장 속도와의 경험적 관계를 설정할 수 있으며, 이는 형상 기억 합금의 변형 균열 성장을 설명하는 잠재적인 통합 지표로 활용될 수 있음을 알 수 있습니다. 관련 논문은 "형상 기억 합금의 기계적 및 구동 피로 균열 성장에 대한 통합적 설명"이라는 제목으로 Acta Materialia에 게재되었습니다.
논문 링크:
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117155
본 연구에서는 Ni50.3Ti29.7Hf20 합금을 180℃에서 단축 인장 시험했을 때, 하중 과정 중 낮은 응력 수준에서는 오스테나이트가 주로 탄성 변형을 일으키며, 이때 영률은 약 90GPa임을 확인하였다. 응력이 약 300MPa에 도달하면 정상 변태가 시작되면서 오스테나이트는 응력 유도 마르텐사이트로 변태하고, 하중 제거 시에는 응력 유도 마르텐사이트가 주로 탄성 변형을 일으키며 영률은 약 60GPa이고, 이후 다시 오스테나이트로 변태한다. 이러한 결과들을 통합하여 구조재료의 피로 균열 성장 속도를 파리스형 멱법칙에 맞추어 분석하였다.
그림 1. Ni50.3Ti29.7Hf20 고온 형상 기억 합금의 BSE 이미지 및 산화물 입자의 크기 분포
그림 2. 550℃에서 3시간 동안 열처리한 Ni50.3Ti29.7Hf20 고온 형상 기억 합금의 투과 전자 현미경(TEM) 이미지
그림 3. 180℃에서 NiTiHf DCT 시편의 기계적 피로 균열 성장에 대한 J와 da/dN의 관계
본 논문의 실험에서는 이 공식이 모든 실험의 피로균열 성장 속도 데이터에 적합하고 동일한 매개변수 세트를 사용할 수 있음을 입증했습니다. 멱법칙 지수 m은 약 2.2입니다. 피로 파괴 분석 결과, 기계적 균열 전파와 구동 균열 전파 모두 준벽개 파괴이며, 표면의 하프늄 산화물의 빈번한 존재가 균열 전파 저항을 악화시키는 것으로 나타났습니다. 얻어진 결과는 단일 경험적 멱법칙 표현식이 광범위한 하중 조건 및 기하학적 형상에서 요구되는 유사성을 달성할 수 있음을 보여주며, 이를 통해 형상 기억 합금의 열기계적 피로에 대한 통합적인 설명을 제공하고 구동력을 예측할 수 있습니다.
그림 4. 180℃ 기계적 피로 균열 성장 실험 후 NiTiHf DCT 시편의 파단면을 보여주는 SEM 이미지
그림 5. 250N의 일정 바이어스 하중 하에서 피로 균열 성장 실험 후 NiTiHf DCT 시편의 파단면 SEM 이미지
요약하자면, 본 논문은 니켈 함량이 높은 NiTiHf 고온 형상 기억 합금에 대해 순수 기계적 및 구동 피로 균열 성장 실험을 최초로 수행했습니다. 주기적 적분을 기반으로, 단일 매개변수 하에서 각 실험의 피로 균열 성장 속도에 적합한 파리스형 멱법칙 균열 성장식을 제안했습니다.
게시 시간: 2021년 9월 7일