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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.9 No.3 pp.73-78
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2018.9.3.073

Analysis of Cyclic Behavior of Superelastic Shape Memory Alloys under Various Loading Conditions

Han-Min Cho1, Sun-Ho Kwon2,3, Jong-Wan Hu4
1Ph.D. Candidate, Department of Civil and Environment Engineering, Incheon National University, Incheon, Korea
2MA. Graduate, Department of Civil and Environment Engineering, Incheon National University, Incheon, Korea
3Researcher, Korea Confornity Laboratories
4Associate Professor, Department of Civil and Environment Engineering, Incheon National University, Incheon, Korea

본 논문에 대한 토의를 2018년 11월 30일까지 학회로 보내주시면 2018년 12월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Hu, Jong-Wan Department of Civil and Environment Engineering, Incheon National University, 119 Academy-ro, Yeonsu-gu, Incheon, Korea. Tel: +82-32-835-8463, Fax: +82-32-835-0775, E-mail: jongp24@incheon.ac.kr
July 27, 2018 September 13, 2018 September 17, 2018

Abstract


The nickel-titanium shape memory alloy (SMA), referred to as Nitinol, exhibits a superelastic effect that can be restored to its original shape even if a significant amount of deformation is applied at room temperature, without any additional heat treatment after removal of the load. Owing to these unique material characteristics, it has widely used as displacement control devices for seismic retrofitting in civil engineering fields as well as medical, electrical, electronic and mechanical fields. Contrary to ordinarty carbon steel, superelastic SMA are very resistant to fatigue, and have force-displacement properties depending on loading speed. The change for the mechanical properties of superelastic SMA are experimentally inviestigated in this study when loading cycle numbers and loading speeds are different. In addition, the standardized force-displacement properties of such superelastic SMA are proposed with an aim to efficiently design the seismic retrofitting devices made of these materials.



다양한 하중 조건에 대한 초탄성 형상기억합금의 주기적 거동 특성 분석

조 한민1, 권 순호2,3, 허 종완4
1인천대학교 건설환경공학부 박사과정
2인천대학교 건설환경공학부 석사과정
3한국건설생활환경시험연구원 연구원
4인천대학교 건설환경공학부 부교수

초록


니티놀이라고 하는 니켈-티타늄 형태의 형상기억 합금(SMA)은 상당한 양의 변형이 발생한 후에 추가적인 열을 가하 지 않더라도 상온에서 원래 모양으로 복원될 수 있는 초탄성 효과를 가진다. 이러한 독특한 재료 특성 때문에, 니티놀은은 의 료, 전기, 전자 및 기계 분야뿐만 아니라 토목 공학 분야의 내진 개량을 위한 변위 제어 장치로 널리 사용되어 왔다. 탄소강과 달리 초탄성 형상기억합금은 피로 저항성이 강하며 하중 속도에 따라 강성(하중-변위특성)등의 기계적 물성치가 변화한다. 본 연구에서는 하중 사이클의 반복 횟수와 속도에 따라 초탄성 형상기억합금의 기계적 물성치가 어떻게 변하는가에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 본 연구로 인해 표준화된 초탄성 형상기억합금의 기계적 물성치는 이후 초탄성 형상기억합금을 적용한 내 진 장치의 설계과정에서 활용함으로써 설계 효율성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.



    1. 서 론

    탄성 한계를 넘어서는 변형을 가하였을 때 잔류 변형 이 발생하는 강재와는 달리 초탄성 형상기억합금은 물질 생성시 기억한 형태를 그대로 유지하여 외부 충 격에 의하여 상당량이 변형이 발생하더라도 다시 원 래의 기억된 형태로 복구하는 능력을 가진 금속이다. 이러한 형상기억합금의 독특한 재료 특성으로 인하여 의학용 스탠트, 안테나, 안경테, 브레지어 및 액츄에이 터 등 실생활에서 널리 활용되어 왔다.최근에는 소재 기술의 발달로 제작 단가가 낮아져서 볼트 연결부, 지 진의 개장 장치, 면진 받침, 댐퍼 장치 등 건설 분야 에도 활용되기 시작하였고 관련된 연구들이 실험실 단계에서 수행 중에 있다(Fig. 1 참고).

    초탄성 형상기억합금은 다른 금속 재료와 비교하 여 우수한 복원력으로 잔류 변형을 감소시키고 내부 식성 및 내마모성에서 우수하며 기계적강도와 피로에 대한 저항성이 매우 뛰어나다. 일반적인 강재와는 달 리 하중의 재하 속도에 따라서 응력-변형률 물성치의 강도와 잔류 변형의 특성이 변화하는 성질을 가지고 있다(P. S. Lobo et al., 2015). 초탄성 형상기억합금으 로 제작된 지진 제어 장치들의 (받침, 댐퍼 등) 정확 하고 효율적인 설계를 시행하기 위해서는 반복적인 피로 하중과 재하 속도에 따른 이러한 재료의 역학적 인 특성을 정확하게 파악해야 한다. 대부분의 초탄성 형상기억합금 장치들은 피로와 하중 재하 속도를 고 려하지 않고 정적 하중으로 재하하여 얻어진 재료 물 성치를 활용하여 설계를 수행하기 때문에 지속 시간 과 하중 속도가 다른 지진 하중 하에서 정확한 장치 의 성능을 예측하는 대 어느 정도는 한계를 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 문제점들 해결하 고 자 하중의 반복 횟수와 재하 속도를 달리하여 초 탄성 형상기억합금의 역학적인 특성의 변화를 관측하 고 자 한다. 따라서 본 연구에서는 정적인 하중을 재 하 하였을 때 동일한 응력-변형률 물성치를 가지는 시편들에 각기 다른 하중 조건을 주어 역학적인 하중 -변위 곡선을 측정한 후 항복 이후 강도와 잔류 변형 의 발생량을 관측한다.

    2. 재료 특성

    재료 특성을 얻기 위해 미국 재료 시험 협회(ASTM) 지침에 따라 얻어진 초탄성 형상기억합금 및 강재에 대한 응력-변형률 곡선을 나타낸다. 본 연구에서는 일 반적으로 활용되는 SS400의 강재가 사용되었다. 하중 은 0.02 및 0.07의 라디안 표준 변형이 적용되었으며 시편의 파단이 발생할 때까지 시험을 수행하였다(S. Moradi et al., 2016). 하중 속도는 초탄성 형상기억합 금 및 강재에 대해 0.033mm/sec의 정적 하중이 적용 되었다(Fig. 2, 3 참고).

    본 연구에서 사용하는 초탄성 형상기억합금은 니 켈과 티타늄을 거의 동일한 원자 비율로 섞어서 제작 한 니티놀 합금이다. 초탄성 형상기억합금 재료 시편 의 구성은 거의 동일하며 니켈이 55%와 티타늄이 45%의 무게로 구성되어 있다(C. S. W. Yang et al., 2010). 오스테나이트 상변위가 시작되는 온도는 영하 15도에서 10도 사이에 범위에 분포되도록 제작하였으 며 재료 실험은 25도 상온에서 수행하여 응력-변형률 곡선을 얻어내었다. 본 응력-변형율 곡선은 초기의 탄 성 기울기는 약 30GPA를 가지고 있으며 약 1.8% 변 형률에 상응하는 510MPa의 응력에서 항복점을 의미 하는 마르텐자이트 상변위가 발생하기 시작하였다. 2-3%의 변형률을 가하더라도 하중 제거후에 상당량의 변위를 회복하여 잔류 변형이 거의 미미하게 발생하 였으나 점차적으로 재하하는 변형률이 증가할수록 발 생되는 잔류 변형도 증가하기 시작하였다. 5%의 변형 률에서 약 620MPa의 응력을 발생 시켰으며 9%의 변 형율에서 넥킹 현상이 발생하였지만 그 이후에 응력 경화 현상을 발생시키고 최종적으로 14.8%의 변형율 근처에서 파단 되었다.

    3. 실험 준비

    재료 실험 수행을 위하여 규정에 따라 강재 및 초탄 성 형상기억합금 재료 시편을 제작하였으며 Fig. 4는 시편 형태를 보여주고 있다(D. J. Miller et al., 2012). Fig. 5는 실험 수행을 위한 UTM (Universal Testing Machine)에 설치된 재료 시편을 보여준다. 동적 하중 시험은 서로 다른 하중 속도로 수행되었다. 강재 및 초탄성 형상기억합금의 재료 시편은 각각 1mm 및 3mm 두께로 제작되었다. 시험편 중앙의 유효 폭은 25mm로 제작되었으며 변위 제어 하중 시험이 수행되 었다(Fig. 6참고). 동일한 재료 시험편에 동적 하중이 미치는 영향을 고려하기 위해 실험은 하중 속도를 변 수로 사용하여 수행하였다. 재료 시험은 0.033, 0.165, 0.330, 1.650 및 3.300mm/sec 로딩 속도를 갖는 5개의 시편에 대해 수행되었다(C. X. Qiu et al., 2017).

    SMA-1 및 Steel-1 모델의 경우 하중 속도를 0.033mm/sec 로 설정하여 재료 테스트를 수행하였다. 반면 SMA-5 및 Steel-5 모델은 기본 SMA-1 및 Steel-1 모델과 비교하여 100배 빨라진 하중 속도(3.300mm/sec) 로 수행되었다.(Kim, Y. C. et al., 2018).

    4. 실험결과 분석

    재료 시험의 결과에 근거하여 동적 효과를 고려했을 때 각 시험편의 전단 강도, 에너지 소산 능력 및 재진 능력을 평가하였다. Fig. 7은 다양한 하중 속도를 받 는 초탄성 형상기억합금 시편의 힘-변위 곡선을 보여 준다. 0.033mm/sec 로딩 속도에서의 SMA-1 모델은 7mm 변위에서 약 50kN 힘을 나타내었고, 3.300mm/ sec 로딩 속도 하의 SMA-5 모델은 동일한 변위에서 60kN 힘을 나타냈다. SMA-5 모델의 시험 결과는 지 진 하중을 받는 브레이싱 댐퍼와 비슷한 조건을 가지 므로 정적 하중이 가해지는 경우에 비해 지진 발생시 저항력의 증가가 예상된다. 그러나 빠른 로딩 속도로 인해 SMA-5 모델은 약 7mm의 변위에서 갑작스러운 파손을 보였다. 반면 SMA-1 모델은 정지 하중과 거 의 동일한 하중 상태를 가지므로 파손 없이 최대 8.5mm의 변위를 견딜 수 있는 것으로 나타났다.

    각 변위 부하 사이클 (Δcycle)에 대한 잔류 변위 (Δres)와 에너지 소산 용량을 명확하게 관찰하기 위하 여 그래프로 표현하였으며 Fig. 8은 SMA-1에서 SMA-5까지 변위 부하 사이클당 힘-변위 이력 현상을 보여줍니다. 하중 속도가 증가함에 따라 최대 강도 용 량도 증가했지만 히스테리시스 곡선의 면적을 특징으 로하는 에너지 소산 용량은 SMA-1과 SMA-2 모델간 에 동일하게 나타났다. 또한 동일한 변위 하중 사이클 에서 하중 속도가 증가 할 때 발생하는 잔류 변위가 점차적으로 증가했다.

    모든 변위 부하 사이클에 대한 사후 강도와 잔류 변위는 Fig. 9와 Fig. 10에서 각각 볼 수 있다. Fig. 9 에서 볼 수 있듯이 보다 빠른 하중 속도로 주기적인 하중을 받는 재료 모델은 동일한 변위 하중 사이클에 서 상대적으로 더 큰 항복 강도를 나타낸다. 잔류 변 위에 대해서 SMA-2 모델은 동일한 변위 부하 사이클 에서 잔류 변위가 가장 적게 나타났으며 네 개의 다 른 모형은 거의 동일한 잔류 변위를 나타냈다. 시편별 오차가 존재하지만 잔류변위는 비슷한 수준으로 판단 된다고 할 수 있다(Fig. 10 참고).

    다양한 하중 속도 하에서 강재 시편에 대한 힘-변 위 히스테리시스 곡선이 Fig. 11에 나와 있습니다. 모 든 변위 하중 사이클에서의 항복 강도 및 잔류 변위 는 각각 Fig. 12 및 Fig. 13에서 볼 수 있습니다. 초탄 성 형상기억합금이 있는 재료 표본과는 달리 각각의 강재 표본은 하중 속도에 관계없이 거의 동일한 힘- 변위 곡선을 나타냈습니다. 따라서 부하 속도는 댐퍼 의 잔류 변위 및 에너지 소실 능력의 발생에 거의 영 향을 미치지 않으나 초탄성 형상기억합금 댐퍼의 강 도 용량 변화에 큰 영향을 미친다는 결론을 얻을 수 있다(M. S. Speicher et al., 2011).

    Table 1에 나타난 SMA-1의 경우 하중 재하 속도 가 가장 느리며 이때 발생하는 하중값은 제일 낮게 나타나며 변위값은 가장 크게 나타난다. 반대로 SMA-5의 경우 하중값은 가장 크게 나타나지만 변위 값은 작아지는 것을 볼 수 있다.

    5. 결 론

    본 연구에서는 건설현장에서 댐퍼로 활용 가능한 초 탄성 형상기억합금에 대한 연구를 진행하였다. 연구의 대상이 되는 초탄성 형상기억합금의 실험결과 우수한 복원력을 토대로 잔류 변위에 대한 발생을 줄여준다. 초탄성 형상기억합금은 상온에서의 변위를 제어하여 준정적 반복 하중을 적용하였을 때 에너지 소산 능력 에 대한 향상을 보이며 깃발 모양의 이력 거동을 보 여준다. 본 연구의 결과를 토대로 초탄성 형상기억합 금은 저속 정적 하중이 아닌 고속 하중 조건에서 지 진하중에 대해 효과적으로 활용될 수 있다는 결론을 내릴 수 있다. 향후 초탄성 형상기억합금을 내진 시스 템에 적용한다면 성능 향상된 내진설계 기법을 개발 할 수 있을 것으로 판단된다.

    감사의 글

    본 연구는 국토교통부 국토교통기술사업화지원사업 (18TBIP-C144315-01) 지원으로 수행되었습니다. 지원 에 깊은 감사를 드립니다.

    Figure

    KOSACS-9-73_F1.gif
    Utilizing SMA in the Construction Field
    KOSACS-9-73_F2.gif
    Stress and Strain Curves for Superelastic Shape Memory Alloys(0.033mm/sec Loading Speed)
    KOSACS-9-73_F3.gif
    Stress and Strain Curves for General Carbon Steel(0.033mm/sec Loading Speed)
    KOSACS-9-73_F4.gif
    Specimens for the ASTM Standard Material Tests
    KOSACS-9-73_F5.gif
    Material Test Setup
    KOSACS-9-73_F6.gif
    Loading History Data
    KOSACS-9-73_F7.gif
    Force and Displacement Curves for SMA Materials Subjected to Different Loading Speed
    KOSACS-9-73_F8.gif
    Force and Displacement Curves during Loading Cycles: S1 (1mm) (a), S2 (3mm) (b), S3 (5mm) (c), and S4 (7mm) (d) Loading Cycles.
    KOSACS-9-73_F9.gif
    Comparison for Loading Forces along the Measurement Displacement Loading Cycles (SMA)
    KOSACS-9-73_F10.gif
    Comparison for Residual Displacements along the Measurement Displacement Loading Cycles (SMA)
    KOSACS-9-73_F11.gif
    Force and Displacement Curves for Steel Materials Subjected to Different Loading Speeds: (a) Steel-1 (0.033mm/sec) (b) Steel-2 (0.165mm/sec) (c) Steel-3 (0.330mm/sec) (c) Steel-4 (1.650mm/sec) (e) Steel-5 (3.300mm/sec)
    KOSACS-9-73_F12.gif
    Comparison for Loading Forces along the Measurement Displacement Loading Cycles (steel)
    KOSACS-9-73_F13.gif
    Comparison for residual displacements along the measurement displacement loading cycles (steel)

    Table

    SMA Force-Displacement Data

    Reference

    1. ASTM Standard A356/A356M(2006), Specification for Steel Castings, Carbon, Low Alloy, and Stainless Steel, Heavy-Walled for Steam Turbines, American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA, USA. doi:
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