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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.12 No.2 pp.50-56
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2021.12.2.050

Evaluation of Corrosion Behavior for Fe-based Shape Memory Alloy

Yeon, Yeongmo1, Hong, Kinam2, Lee, Junghoon3, Ji, Sangwon4
1PhD. Student, Department of Civil Engineering, Chungbuk National University, Cheongju, Korea
2Professor, Department of Civil Engineering, Chungbuk National University, Cheongju, Korea
3Professor, Department of Metallurgical Engineering, Pukyong National University, Busan, Korea
4Master’s Student, Department of Civil Engineering, Chungbuk National University, Cheongju, Korea

⋅ 본 논문에 대한 토의를 2021년 05월 31일까지 학회로 보내주시면 2021년 06월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Hong, Ki-Nam Department of Civil Engineering, Chungbuk National University, 1, Chungdae-ro, Seowon-gu, Cheongju-si, Korea. Tel: +82-43-261-2378, Fax: +82-43-261-2268 E-mail: hong@cbnu.ac.kr
February 15, 2021 March 4, 2021 March 17, 2021

Abstract


This paper reports an experimental study to evaluate the corrosion characteristics of Fe-based shape memory alloy (Fe-SMA). For confirming the corrosion performance of Fe-SMA, a potentiodynamic polarization test was performed. After installing the specimen in the three-electrode flat cell, the potential in the range of 200–1000 mV was measured at a rate of 2 mV/s. saturated calomel electrode(SCE) and Pt wires were used as reference and counter electrodes. Corrosion potential and current density were measured using Tafel fitting of potentiodynamic polarization curves. SD400 was used as a control group to intuitively check the corrosion characteristics of Fe-SMA. To confirm the corrosion performance of Fe-SMA in a chloride environment, an experiment was conducted in a 3.5 wt% NaCl solution. To confirm the corrosion performance of Fe-SMA in a concrete environment, the pH of the solution was adjusted to 13 using CaO. In the test results, Fe-SMA showed better corrosion resistance in all conditions compared with SD400. Moreover, the corrosion resistance of Fe-SMA was found to be excellent in the concrete environment. However, corrosion resistance was found to decrease rapidly when Fe-SMA was exposed to chloride. Therefore, an appropriate method is required to prevent corrosion when using Fe-SMA in an environment directly exposed to chloride.



철계-형상기억합금의 부식특성 평가

연 영모1, 홍 기남2, 이 정훈3, 지 상원4
1충북대학교 토목공학과 박사과정
2충북대학교 토목공학부 교수
3부경대학교 금속공학과 교수
4충북대학교 토목공학부 석사과정

초록


본 논문은 철계-형상기억합금(Fe-SMA)의 부식특성을 평가하기 위한 실험적 연구이다. 연구를 수행하기 위해 동전위 분극실험을 통해 Fe-SMA의 부식성능을 평가하였다. 시편을 3전극 플렛셀에 설치 후 전위차계를 이용하여 –200mV∼1000mV 구 간의 전위를 2mV/s으 속도로 측정하였다. 기준전극 및 상대전극으로 각각 SCE 기준전극과 백금 와이어를 이용하였다. 동전위 분극곡선 및 타펠 피팅을 이용하여 부식전위 및 부식전류밀도를 측정하였다. Fe-SMA의 부식특성을 직관적으로 확인하기 위해 SD400 철근을 비교군으로 설정하였다. 염화물 환경에서 Fe-SMA의 부식성능을 확인하기 위해 3.5wt% 농도의 NaCl 용액에서 실 험을 실시하였으며, 콘크리트 환경에서 Fe-SMA의 부식성능을 확인하기 위해 CaO를 이용하여 수용액의 pH를 13으로 조절하였 다. 실험결과 Fe-SMA는 SD400 대비 모든 조건에서 우수한 내부식성이 나타났다. Fe-SMA의 콘크리트 환경에서 내부식성은 우 수한 것으로 나타났다. 하지만 Fe-SMA가 염화물에 노출되면 부식저항이 급격히 감소되는 것으로 나타났다. 따라서 염화물에 직 접적으로 노출되는 환경에서 Fe-SMA를 사용할 경우 부식을 방지하기 위한 적절한 조치가 필요할 것으로 사료된다.



    National Research Foundation of Korea(NRF)
    No. 2020R 1A2C1003197

    1. 서 론

    철근콘크리트는 현대사회를 구축하고 있는 중요한 재료로써 수많은 구조물이 철근콘크리트로 이루어져 있다. 철근콘크리트에 사용되는 철근은 외력에 의해 변형이 발생하여야 그 성능이 발휘되는 재료로 철근 이 성능을 발휘할 때 콘크리트의 균열은 필연적으로 발생한다. 콘크리트에 발생된 균열을 통해 수분, 염 분, 이산화탄소 등이 콘크리트 내부에 침투하여 철 근의 부식을 촉진시킨다(Kim et al., 2007). 이렇게 부 식이 발생된 철근은 단면적이 감소되어 부재의 내력 을 저하시킬 뿐 아니라 부식 산화물에 의한 부피팽 창으로 인해 피복 콘크리트의 박리가 발생된다. 철 근콘크리트의 단점을 보완하기 위해 프리스트레스 콘크리트가 사용되고 있다. 프리스트레스 콘크리트 는 인장력이 발생되는 부분에 사전 압축력을 도입하 여 균열제어에 매우 효율적인 구조이다(Chung et al., 2004;Collins and Mitchell, 1991). 또한 프리스트레스 콘크리트는 압축부만 유효단면으로 하는 철근콘크리 트와 다르게 전 단면을 유효단면으로 사용하기 때문 에 단면크기 및 자중이 작아 대형 구조물에 폭넓게 사용되고 있다. 그러나 프리스트레스 콘크리트는 정 착 및 잭킹장치를 사용하여 긴장작업을 실시하는 복 잡한 시공과정으로 인해 공기가 길어지는 단점이 있 으며, 다양한 원인에 의해 긴장력 손실이 발생하여 도 재긴장이 불가능하다는 단점이 있다.

    이러한 문제를 해결하기 위해 형상기억합금(Shape memory alloy, SMA)을 이용하여 구조물에 프리스트 레스를 부여하기 위한 연구가 국내⋅외 연구자들에 의해 수행되고 있다(Czaderski et al., 2014;Hong et al., 2018;Jung et al., 2019). 그중 철계-형상기억합금 (Fe-based shape memory alloy, Fe-SMA)은 일반적으로 알려진 Ni-Ti계 형상기억합금(Nitinol)에 비해 우수한 경제성을 확보하고 있는 형상기억합금(Shape memory alloy, SMA)이다. Sato et al. (1982)가 Fe-SMA를 처음 발견한 이후 여러 연구자들에 의해 Fe-SMA를 건설 분야에 적용하기 위한 연구가 진행되고 있다 (Shahverdi et al., 2016). Shahverdi et al. (2018)은 Strip 형태의 Fe-SMA를 철근콘크리트 구조물의 보강재로 사용하기 위한 재료적 특성을 분석하였다. 연구결과 Fe-SMA를 160℃로 가열하였을 때 회복응력은 300-350MPa로 측정되었으며, 2% 이상의 사전변형 수준은 회복응력에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 보고하였다. Rojob and El-Hacha (2017)는 Rib 형태의 Fe-SMA 바를 철근콘크리트 보의 표면매립보강공법 (Near surfaced mounted, NSM)의 보강재로 사용하기 위한 연구를 실시하였다. 연구 결과 Fe-SMA 바로 보강된 보는 높은 연성 능력을 보이는 것으로 나타 났으며, Fe-SMA를 이용한 프리스트레싱 시스템은 보수⋅보강 분야에 높은 잠재능력을 보이는 것으로 보고하였다. Hong et al. (2020a)은 Fe-SMA 바로 제 작된 콘크리트 보의 휨 거동을 평가하기 위한 실험 적 연구를 수행하였다. 연구 결과 Fe-SMA로 제작된 콘크리트 보는 동일한 양의 SD400으로 제작된 철근 콘크리트 보에 비해 우수한 극한강도를 보이는 것으 로 나타났으며, Fe-SMA의 회복응력에 기인된 프리 스트레스 효과에 의해 철근콘크리트 보 대비 140% 이상 증가된 균열하중을 보이는 것으로 보고하였다. Ji et al. (2020)은 Fe-SMA 나선철근으로 제작된 콘크 리트 기둥의 1축압축거동을 평가하였다. 연구결과 Fe-SMA를 활성화한 실험체는 심부콘크리트 능동 구 속효과가 발생하여 더 높은 최대응력 증가량을 보이 는 것으로 보고하였다. Hong et al. (2020b)은 Fe-SMA의 피로성능을 평가하기 위해 2가지 조성의 Fe-SMA에 대한 피로시험을 수행하였다. 연구결과 항복강도가 높은 Fe-SMA가 더 높은 피로강도를 보 이는 것으로 보고하였다. Yeon et al. (2020)은 Fe-SMA strip을 이용하여 보강된 콘크리트 보의 장 기거동을 평가하기 위한 연구를 수행하였다. 연구결 과 Fe-SMA 활성화를 통해 발생된 프리스트레스 효 과는 적절히 유지되는 것으로 보고하였다.

    기존 Fe-SMA에 대한 연구는 대부분 보수⋅보강 분야, 재료적 특성을 규명하기 위한 연구에 집중되어 있으며, Fe-SMA의 부식 저항성 확인하기 위한 연구 는 부족한 실정이다. 그러나 제설재가 사용되는 지 역, 해안가의 철근콘크리트 구조물 및 프리스트레스 구조물의 경우 부식이 종종 발견되고 있다(Halsall et al., 1996). 2016년 정릉천 고가의 경우 염소이온을 함 유한 노면수가 내부에 침투하며 강연선이 부식에 의 해 파단되는 사례가 발생하였으며, 입루 프리스트레 스 구조물의 경우 부식에 의한 붕괴사고가 발생하기 도 하였다(Jeon, 2016;Mathy et al., 1996;Woodward and Williams, 1988). 이처럼 부식이 발생한 구조체는 극한하중에 도달하기 전 철근/강연선의 단면적이 감 소하여 구조적 성능이 감소되어 구조물의 내구성 및 안정성을 급격히 저하시킨다. 따라서 Fe-SMA를 실 구조물에 적용하기 위해서는 재료적 특성뿐 아니라 부식 특성이 검증되어야 한다. 이를 위해 부식환경에 시험체를 폭로시킨 후 부식상태를 평가하는 방법이 가장 신뢰성이 높으며 확실한 방법이다. 그러나 이러 한 방법을 통해 부식성능을 평가하기 위해서는 막대 한 시간이 소요되는 단점이 있다(Jeong, 2013). 이에, 금속의 부식반응은 Fig. 1에 나타낸 것과 같이 전기 화학적인 반응임에 착안하여 자연전위법, 교류임피던 스법, 분극저항법 등 다양한 전기화학적 방법을 이용 하여 부식을 측정하는 방법에 관한 연구가 진행되고 있다(Yang, 2000). 이에 본 연구에서는 Fe-SMA를 프 리스트레스 부재로 사용하기 위한 기초 연구로써 전 기화학적 실험방법 중 하나인 동전위 분극실험을 통 해 Fe-SMA의 부식특성을 평가하고자 한다.

    2. 실험 개요

    2.1 사용 재료

    Fe-SMA를 제작하기 위해 진공유도용해를 이용하여 100kg의 주괴를 제작하였다. 이후 합금 균질화를 위 해 1,250℃에서 6시간동안 균질화 열처리를 실시하 였으며 시편에 두께가 5mm가 될 때 까지 1,000℃에 서 열간압연을 실시하였다. Table 1에 본 연구에서 사용된 Fe-SMA의 화학적 조성비를 나타내었다.

    사용된 Fe-SMA의 기계적 특성을 평가하기 위해 KS B 0801 기준(2017)에 따라 시편을 제작한 후 직 접 인장시험을 실시하였으며, Fe-SMA의 응력-변형률 선도를 Fig. 2에 나타내었다. 시험 결과 사용된 Fe-SMA의 탄성계수는 124.57GPa로 나타났으며 극한 변형률 및 극한강도는 0.23, 1140MPa로 나타났다. Fig. 2에 나타낸 것과 같이 Fe-SMA는 뚜렷한 항복점 이 나타나지 않기 때문에 0.2% offset법을 이용하여 Fe-SMA의 항복점을 도출하였다. 그 결과 사용된 Fe-SMA의 항복변형률 및 항복강도는 각각 0.0067, 599MPa로 나타났다.

    사용된 Fe-SMA의 회복응력을 확인하기 위해 회 복응력 실험을 실시하였다. 실험에 사용된 Fe-SMA 의 폭 두께, 길이는 각각 12.5mm, 2.5mm, 100mm이 며 지그의 폭과 길이는 각각 20mm, 40mm이다. 또한 반지름 20mm의 필릿을 설치하여 시편의 응력집중이 발생하는 것을 방지하였다. 실험결과 사전변형 4%인 Fe-SMA의 가열온도 120℃, 160℃에서의 회복응력은 각각 372MPa, 424MPa로 나타났다. 자세한 회복응력 실험방법은 Hong et al. (2020c)에 나타내었다.

    2.2 실험 변수

    Table 2에 Fe-SMA의 부식 저항성을 평가하기 위한 실험 변수를 나타내었다. Fe-SMA의 부식 저항성을 직관적으로 평가하기 위한 비교군으로써 SD400을 사용하였다. 증류수 및 바닷물을 모사한 3.5 wt% 농 도의 NaCl 수용액을 사용하여 다양한 환경에서의 Fe-SMA의 부식 저항성을 평가하였다. 또한 콘크리 트 환경을 모사하기 위해 CaO를 이용하여 수용액의 pH를 13으로 조절하였다. Table 2에 나타낸 변수명 “SMA”와 “SD”는 각각 Fe-SMA와 SD400을 의미하며 아라비아 숫자는 수용액의 pH를 의미한다. 또한 “DW”와 “SW”는 각각 증류수(Distilled water) 및 바 닷물(See water)을 의미한다.

    2.3 실험 방법

    Fe-SMA의 부식 저항성을 평가하기 위해 100 grit의 사포를 이용하여 시편을 연마하였으며, 연마작업이 끝난 후 증류수를 이용하여 시편을 세척 및 건조시 켰다. 건조된 시편을 3 전극 플렛셀(Flat cell)에 설치 후 전위차계를 이용하여 동전위 분극시험을 수행하 였다. 기준전극 및 상대전극으로 각각 SCE 기준전극 및 Pt 와이어를 이용하였으며, -200mV에서 1000mV 구간의 전위를 2mV/s의 속도로 측정하였다. 데이터 의 신뢰성을 위해 시험은 3개의 시편에 대해 반복수행 시험을 실시하였다. Fig. 4에 나타낸 것과 같이 동전 위 분극곡선 및 타펠 피팅(Tafel fitting)을 이용하여 부 식전위 및 부식전류밀도를 측정하였다. 부식전류밀 도는 전위의 기울기가 일정한 타펠영역의 기울기를 이용하여 구하였으며, 식(1)을 통해 분극저항을 계산 하였다. Fig. 5에 동전위 분극실험 전경을 나타내었다.

    R P = β a × β c 2.3 × i c o r r × ( β a + β c )
    (1)

    여기서, RP는 분극저항, βa, βc는 각각 산화 환원 곡선에 대한 Tafel 기울기, icorr은 부식전류밀도를 나 타낸다.

    3. 실험 결과 및 분석

    3.1 실험 결과 요약

    Table 3에 동전위 분극실험 결과를 요약하여 나타내 었으며, Fig. 6에 SMA7-SW의 3개의 시편에 대한 동 전위 분극곡선을 나타내었다. Fig. 6에 나타낸 것과 같이 3회 반복실험에서의 재현성은 우수한 것으로 나타났다.

    3.2 중성 환경에서의 부식 저항성

    Fig. 7은 중성(pH 7)환경에서 수용액 종류에 따른 Fe-SMA와 SD400의 분극 저항을 나타낸다.

    SMA7-DW의 증류수에서의 분극저항은 106.78kΩ 으로 나타났으며, SMA7-DW와 같은 조건인 SD7-DW 의 분극저항은 45.62kΩ SMA7-DW 대비 42.7% 수준 의 낮은 내부식성이 나타났다. 이처럼 Fe-SMA가 SD400에 비해 높은 내부식성을 나타내는 이유는 SD400의 철 이온(Fe2+)이 Fe-SMA에 비하여 많기 때 문에 산화전위가 상승하는 양극이온 효과 및 Fe-SMA 합금에 포함된 Cr에 의한 것으로 판단된다(Saito et al., 2003).

    해수환경을 모사한 3.5 wt% NaCl 수용액에서의 SD400의 분극 저항은 3.42kΩ로 증류수에 비해 7.5% 수준이다. 이는 증류수와 비교해 NaCl 용액에서 금 속의 반응속도가 더욱 빠르고, 이에 따라 부식이 더 활성화되기 때문이다. Fe-SMA의 NaCl 수용에서의 분극 저항은 증류수 대비 4.72% 수준으로 NaCl 수용 액에서 부식이 더 활발히 이루어지는 것으로 나타났 다. 이는 전술한 것과 같이 Fe-SMA의 Fe2+ 이온의 감소 및 Cr에 의한 것으로 판단된다. 따라서 Fe-SMA 는 기존 건설재료로 사용되던 SD400에 비해 우수한 내부식성을 확보함을 확인하였다.

    3.3 콘크리트 환경에서의 부식 저항성

    콘크리트 제조에 일반적으로 가장 많이 사용되는 포 틀랜드시멘트의 화학성분은 점토에 포함된 실리카 (SiO2), 알루미나(Al2O3)와 석회석에 포함된 석회 (CaO), 산화철(Fe2O3) 4가지 주요 성분 및 기타 성분 을 포함하고 있다(Ryu et al., 2013). 이때 시멘트에 포함된 CaO⋅SiO2는 물과 결합하면 가수분해를 일으 켜 토버모라이트 겔과 Ca(OH)2가 되고 Ca(OH)2는 액 상으로 녹아서 몇 분 사이에 포화상태에 이르며 콘 크리트의 pH를 증가시킨다. 본 연구에서는 콘크리트 에 매립된 Fe-SMA의 내부식성을 평가하기 위해 CaO를 이용하여 수용액의 pH를 13으로 조절하였으 며, 그 결과를 Fig. 8에 나타내었다. SD13-DW의 분 극 저항은 388.47kΩ으로 나타났으며, 이는 CaO를 첨 가하지 않은 SD7-DW의 852% 수준이다. SMA13-DW 의 분극저항은 535.79kΩ으로 CaO를 첨가하지 않은 SMA7-DW의 502% 수준으로 나타났다. 이처럼 콘크 리트 환경을 모사하기 위해 CaO를 이용하여 수용액 의 pH를 증가시킨 경우 SD400과 SMA 모두 높은 내부 식성이 나타났다. 이는 일반적인 철을 기반으로 하는 합금과 유사하게 알칼리 환경에서 생성된 부동태 피막 의 형성에 따른 것으로 판단된다(Bera et al., 2000).

    SD13-SW의 분극 저항은 5.90kΩ로 나타났으며, SMA13-SW의 분극 저항은 8.36kΩ으로 나타났다. 이 는 CaO를 첨가하지 않은 SD7-SW와 SMA7-SW의 173%, 166% 수준으로 증류수와 동일하게 NaCl 용액 에서도 CaO를 첨가하여 수용액의 pH 증가시킨 경우 SD400과 Fe-SMA 모두 pH 7 조건 대비 높은 내부식 성이 나타나는 것을 확인하였다.

    CaO를 이용하여 콘크리트 환경을 모사한 실험결과 SMA13-DW, SMA13-SW의 분극 저항은 SD13-DW, SD13-SW에 비해 각각 138%, 142% 수준으로 증류 수, NaCl 수용액 모두에서 Fe-SMA가 SD400에 비해 우수한 내부식성을 나타내었다. 따라서 Fe-SMA는 콘크리트 매립환경에서도 SD400에 비해 우수한 내 부식성을 갖는 것으로 나타났다. 따라서, Fe-SMA는 기존 SD400 강재가 사용되는 환경에서 부식에 의한 문제는 미미할 것으로 판단된다. 그러나 SD13-SW, SMA13-SW의 분극저항은 SD13-DW, SMA13-DW의 1.52%, 1.56% 수준으로 NaCl 용액에서의 내부식성은 현저하게 감소되는 것으로 나타남에 따라 Fe-SMA는 SD400과 같이 염화물 환경에는 취약한 것으로 확인 되었다. 따라서 향후 염화물에 노출될 수 있는 환경 에서 Fe-SMA를 사용하기 위해서는 내부식성을 향상 시키기 위한 다양한 방법이 필요할 것으로 판단된다.

    4. 결 론

    본 연구는 다양한 환경에서 Fe-SMA의 내부식성을 확인하기 위해 실험적 연구로서, 연구를 통해 다음 과 같은 결론을 도출하였다.

    • 1) 증류수에서 pH가 7일 때 동전위 분극실험을 실 시한 결과 Fe-SMA와 SD400의 분극저항은 각각 106.78kΩ, 45.62kΩ으로 Fe-SMA가 SD400에 비해 230% 이상 우수한 부식저항성을 나타났다. 이 는 Fe-SMA에 비해 SD400이 철이온이 많고, Fe-SMA에 첨가된 Cr에 의한 것으로 판단된다.

    • 2) 3.5 wt% NaCl 수용액에서 pH가 7일 때 Fe-SMA와 SD400 모두 증류수에 비해 4.72%, 7.5%의 낮은 분극 저항이 나타나 두 금속 모 두 염화물 환경에서의 내부식성은 취약한 것 으로 나타났다.

    • 3) 콘크리트 환경을 모사하기 위해 증류수에 CaO를 첨가하여 용액의 pH를 13으로 조절한 후 동전위 분극실험을 실시한 결과 Fe-SMA 와 SD400 모두 CaO를 첨가하지 않은 경우에 비해 502%, 852% 수준의 높은 부식저항성이 나타났다. 이는 알칼리 환경에서 생성된 부동 태 피막에 의한 것으로 판단된다.

    • 4) Fe-SMA와 SD400 모두 pH 13 환경에서 염화 물에 노출되었을 때의 부식저항성은 증류수 환 경에 비해 현저히 감소되는 것으로 나타났다.

    • 5) 모든 조건에서 Fe-SMA은 SD400에 비해 높은 부식저항성을 보이는 것으로 나타났으며, 이 에 따라 기존 SD400이 사용되는 환경에서 부 식에 의한 문제는 미미할 것으로 판단된다. 그러나 염화물에 직접적으로 노출되는 환경에 서 Fe-SMA를 사용하고자 할 경우 부식을 방 지하기 위한 방안이 필요할 것으로 판단된다.

    감사의 글

    이 성과는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한 국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. 2020R 1A2C1003197)

    Figure

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    Corrosion as an Electrochemical Process
    KOSACS-12-2-50_F2.gif
    Stress-strain Relationship of Fe-SMA (Hong et al., 2020c)
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    Recovery Stress-temperature Relationship of Fe-SMA(Hong et al., 2020c)
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    Example of Potentiodynamic Polarization Curve
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    Test Setup
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    Potentiodynamic Polarization Curve for SMA7-SW
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    Polarization Resistance in pH 7
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    Polarization Resistance in pH 13

    Table

    Chemical composition of Fe-SMA
    Test Variable
    Summary of Test Results

    Reference

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