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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.13 No.1 pp.44-50
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2022.13.1.044

Comparison of the Material Performance of Wire-type Superelastic Shape Memory Alloy and Stainless Steel: Experiment and analysis

Lee Heon-Woo 1, Joo Yong-Hun 1, Jin Hui-Su 1, Hu Jong-Wan2
1Master’s Student, Department of Civil and Environment Engineering, Incheon National University, Incheon, Korea
2Professor, Department of Civil and Environment Engineering, Incheon National University, Incheon, Korea

ㆍ 본 논문에 대한 토의를 2022년 03월 31일까지 학회로 보내주시면 2022년 04월호에 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
December 13, 2021 January 14, 2022 January 18, 2022

Abstract


Human civilization has evolved alongside the development of materials, and smart materials adapt themselves to the external environment. For example, shape memory alloys a type of smart material that has a self-healing effect in response to temperature. This study uses a superelastic shape memory alloy that can exhibit a self-healing effect even at room temperature. The ability of the superelastic shape memory alloy in a structure is compared with that of stainless steel. For this, various tensile tests are conducted by processing the steel into a wire form, which is the most easily deformed form. Herein, three types of tensile tests were conducted with different displacements, tensile speeds, and line tensile forces. Then, stress–strain graphs were plotted and analyzed to identify the material capabilities of the structure, such as residual displacement, material yield point and recovery, and energy dissipation.



와이어 형태의 초탄성 형상기억합금과 스테인리스강의 재료적 성능 비교: 실험 및 분석

이헌우1, 주영훈1, 진희수1, 허종완2
1인천대학교 건설환경공학과 석사과정
2인천대학교 건설환경공학과 정교수

초록


인류 문명은 재료의 발달과 함께 진화를 해왔으며 20세기 후반부터 등장한 스마트재료는 외부 환경에 맞춰 스스로 적응을 하는 재료이다. 많은 종류의 스마트재료 중 대표물질이라고 할 수 있는 형상기억합금은 온도에 반응하여 자가 치유효과 를 볼 수 있는 재료이다. 외부 하중에 의한 변형을 자가치유 효과를 사용하여 회복을 하고자 하는 연구는 계속되어 왔지만 온 도의 변화를 구조물 전체적으로 줘야한다는 많은 불편이 있었다. 따라서 본 연구에서는 이 효과를 증진하여 상온에서도 자가 치유효과를 할 수 있는 초탄성 형상기억합금을 이용한다. 구조물에 있어서의 초탄성 형상기억합금의 능력을 스테인리스강과 함 께 비교하고 비교를 위해 강재가 가장 변형되기 쉬운 형태인 와이어형태로 가공하여 다양한 인장실험을 진행한다. 인장실험의 종류는 총 3가지로 변위를 다르게, 인장속도를 다르게, 선 인장력을 다르게 하는 실험으로 진행된다. 이때의 응력, 변형률간의 그래프를 그리고 잔류변형, 재료의 항복점 및 회복, 에너지 소산과 같은 구조물에 있어서의 재료적 능력을 파악하고 따로 그래 프를 도식화 하여 해석하였다.



    1. 서 론

    인류의 사회는 석기, 청동기, 철기로 나뉠 만큼 도구 의 재료는 중요시된다. 돌에서 청동, 청동에서 철과 같이 기존에 있던 재료의 결점을 보완함으로써 새로 운 성능과 용도를 부여하여 사회가 발전해 왔으며 발전함에 따라 현대 건설산업 분야의 발전을 위해 기존재료를 개선할 수 있는 신소재가 필요해져 왔다 (Kim, 1990).

    교량, 터널, 기둥 등의 구조물들은 붕괴될 경우 사람의 생명은 물론이고 막대한 물적 손실을 불러올 수 있다. 그러므로 구조분야에 있어서 신소재란 재 료의 강도와 안정성을 목적으로 두고 발전해왔다. 스마트재료(Smart Materials)는 외부의 하중에 의해 손상 혹은 영구적인 변형이 일어났을 때 스스로 회 복을 할 수 있고 변형에 대응하여 스스로 적응해 나 가는 재료이다(Newnham and Ruschau, 1991; Bogue, 2012; Bahl et al., 2020). 다양한 스마트재료 중에서도 대표적인 형상기억합금(Shape Memory Alloys)은 제조 시의 형상을 기억하는 특징이 있다. 일반적으로 금 속재료의 경우 외부 하중을 받으면 초기에는 탄성거 동을 보이나 곧이어 소성변형이 발생되어 영구변형 이 형성된다. 그러나 형상기억합금은 외부하중을 가하여 변형시킨 후 그 합금을 특정 온도 이상으로 가열하면 변형되기 전의 원래의 형상으로 되돌아가 는 형상기억효과(Shape Memory Effect)를 나타낸다 (Choe, 1990, DesRoches et al., 2004).

    초탄성 형상기억합금(Superelastic Shape Memory Alloys, SSMA)은 이런 특성을 더욱 강화하여 개발한 신소재로 실온에서도 변형을 잡아준다는 장점이 있 다. 또한, 초탄성 형상기억합금은 내마모성, 내부식 성을 포함하여 피로와 기계적 강도에 있어서도 매우 뛰어난 성질을 보여준다(Cho et al., 2018; Song et al., 2006).

    본 연구에서는 이러한 초탄성 형상기억합금을 건 설 소재로서의 강도, 복원특성, 에너지 소산 등과 같 은 적합성 및 유효성을 검증하고 이를 위해 기존에 일반적으로 활용되는 강재와의 성능을 실험을 통하 여 비교 분석하였다(Zhou et al., 2017; Kang et al., 2010).

    2. 본 론

    2.1 실험 설계

    본 연구는 실험을 통한 초탄성 형상기억합금과 강재 의 재료적 성능비교를 실시하기 때문에 우선적으로 실험시 시편의 형태와 실험의 방법을 선정하였다. 시편의 형태는 다양하게 가공이 가능하고 협소한 공 간에서도 활용이 가능하여 응용성이 뛰어난 와이어 형태를 사용하였다. 시편의 재료로는 Ni 50.7%, Ti 49.3%의 Ni-Ti 초탄성 형상기억합금과 STS-304 스테 인리스강 2종류를 사용하였다. 이때 Ni-Ti계 초탄성 형상기억합금은 상온에서 잔류변형을 없애므로 상온 인 23℃환경에서 실험을 진행하였다. 실험의 방법으 로는 건축구조물에 있어 금속재료란 주로 인장부재 로 사용되기 때문에 반복인장실험을 수행하였다.

    선행 논문의 경우 형상기억합금을 와이어로프로 사용하기 위해 상당히 얇은 와이어를 인장반복 실험 하였지만 본 연구의 시편은 Fig. 1과 같이 직경 3mm 의 형태이고 ASTM Standard E8/E8M (2021)의 형식 에 맞춰 집게형식의 지그에 물려 사용하였다. Case ID의 L(Length, mm)은 지그에 물려 있는 길이를 제 외한 유효길이를 의미한다. D(Deformation, εi - εm)는 선행 인장을 제외한 초기 변형률 (εi , %)부터 최대 변형률 (εm, %)까지 길이이다. S(Speed, mm/min)는 실 험장비의 인장속도이다. 예를 들어 Case ID:  L(200)-D(0-10)- S(4)은 유효길이 200mm의 시편을 0%부터 10%까지, 0mm부터 20mm까지 인장하고 그 때의 속도는 4mm/min인 경우이다. Fig. 2는 실제 실 험의 진행 사진이다.

    2.2 실험

    실험은 만능시험기(Universal Testing Machine, UTM) 에 의해 진행되고 힘, 변위 중 변위제어를 통하여 인장반복실험이 진행된다. 또한 실험은 크게 3가지 의 카테고리로 Fig. 3와 같이 분류된다.

    Type 1은 εi을 0%로 고정한 상태에서 최대변형 률εm을 바꿔가는, εm을 변수로 설정한 실험이다. 이 때 εm는 초탄성 형상기억합금을 기준으로 탄성영역 (약 0%-1.2%), 소성영역(약 1.2%-8%), 그리고 변형률 경화구간(8%이후)과 같이 재료의 특성을 잘 나타내 는 부분으로 설정하였다. 이때, 같은 재료가 다른 εm 일 때와 다른 재료가 같은 εm일 때 나타나는 특성을 비교할 수 있을 것 이라고 판단한다. Type 1은 3사 이클 인장반복실험이다.

    Type 2는 εiεm을 고정된 값으로 설정한 후 Case ID의 S를 변수로 설정하는 실험이다. 인장속도 가 느릴 때와 빠를 때 재료 간의 변형특성을 분석하 고자 한다. 이 실험은 Type 1과 마찬가지로 3사이클 인장반복실험으로 진행된다.

    Type 3은 εiεm을 전부 변형 시키되 두 값의 차(-)인 D는 고정시켜 선행 인장의 변화를 주는 실 험이다. 이때 선행 인장은 재료의 잔류변형을 없애 기 위해 가해지는 값이고 그 양을 조금씩 늘려 가며 선행 인장에 따른 힘의 변화 및 그래프 양상을 보고 자 한다. Type 3은 Type 1,2와 달리 많은 반복실험이 필요하다고 판단되어 10사이클 반복실험을 진행하 였다.

    2.3 실험 결과

    Fig. 4는 Type 1의 εm이 10%이며 3회 인장반복한 와 이어 시편이다. 왼쪽시편은 스테인리스강이고 오른 쪽 시편은 초탄성 형상기억합금이다. 같은 길이, 같 은 환경을 부여하여 실험을 하였지만 초탄성 형상기 억합금에 비해 강재는 잔류변형이 발생하여 길이의 변화를 볼 수 있었다.

    Fig. 56은 Type 1의 경우로 차례대로 강재와 초탄성 형상기억합금의 거동이며 Stress(MPa)-Strain(%) 그래프로 표현하였다. 이때 Stress는 UTM을 통해 추 출한 힘의 결과인 Force(N)를 시편의 단면 면적인 7.07mm2로 나눈 값이다. 이 실험은 변수를 εm로 하 기 때문에 그 외의 실험조건은 전부 같게 만들어야 한다. 따라서 L은 전부 200mm, S는 Type 2의 중간 값인 4mm/min으로 통일 하였다. Fig. 5의 모든 그래 프에서 첫 번째 사이클은 많은 인장력을 받아 스테 인리스강이 Fig. 6의 초탄성 형상기억합금보다 더 많 은 힘을 소산시키는 것처럼 보이지만 Fig. 5(a)의 경 우 εm이 1%임에도 불구하고 두 번째 사이클부터는 재료가 항복되어 잔류변형이 남아있음을 알 수 있 다. 강재의 경우 모든 케이스에서 εm이 4%를 넘기고 부터는 응력이 850MPa 전후로 유지되고 잔류변형은 한없이 늘어 2,3사이클에서 실재로 힘을 받는 길이 는 매우 짧다. 그에 반해 초탄성 형상기억합금은 탄 성 구간 내에서 거동하는 Fig. 6(a)는 0.073%의 잔류 변형을 남긴다. Fig. 6(a)부터 Fig. 6(f)까지 전체적으 로 εm가 증가함에 따라 잔류변형이 조금씩 늘어가지 만 Fig. 6(d)까지는 그 양이 매우 미미함을 볼 수 있 고 변형률경화구간이후 εm가 가장 높은 값인 Fig. 6(f)에서는 잔류변형이 1.541%로 많이 늘었지만 어느 정도 재료가 회복하고, 에너지 소산능력을 유지하는 것을 볼 수 있다.

    Fig. 78εm를 Type 1에서 중간값인 4%로 고 정한 후에 S의 변화를 준 실험이다. 강재의 경우 S 가 1.5mm/min일 때의 잔류변형은 2.990%이고 S가 9mm/min일 때는 3.0%로 거의 차이가 나지 않는다 (Fig. 7(a)(f) 참고). 따라서 첫 사이클에서 재료가 항복된 강재의 경우 인장 속도의 변화실험은 유의미 한 결과를 얻지 못하였다. 하지만 Fig. 8에서는 매우 조금씩 인장 속도가 빨라짐에 따라 회복속도가 인장 속도보다 느려져 잔류변위가 증가하는 추세를 볼 수 있다. 초탄성 형상기억합금의 S가 1.5일 때는 잔류변 형이 0.290%였으며 9의 경우 0.596%로 약 2배가량의 잔류변형을 허용하였다(Fig. 8(a)(f) 참고). Fig. 8(e) 는 잔류변형이 굉장히 심하고 응력이 0MPa 이하로 떨어지지 않는 모습을 볼 수 있다, 이는 UTM기에 와이어 고정 시의 체결 상태 미흡으로 판단하였다.

    Fig. 910은 Type 3의 경우로 스테인리스강과 초탄성 형상기억합금의 변위를 2%로 유지한 상태로 선행 인장을 높여가며 거동을 보인 그래프이다. 기 존 Type 1과 Type 2와는 달리 이 실험은 10번의 인 장반복을 하기 때문에 1사이클(그래프의 파란선)과 10사이클(그래프의 빨간선)의 비교만 하고자 한다.

    Fig. 9(b)와 같이 선행 인장값이 낮을 때는 1사이 클과 10사이클의 거동이 비슷해 보이지만 선행 인장 값이 높아질수록 1사이클부터 10사이클까지의 그래 프형상이 점차 내려가고 선행 인장에 의한 Pre-Stress 값도 점차 낮아짐을 알 수 있다. 이는 Fig. 10의 초 탄성 형상기억합금에서도 비슷한 추이를 보인다. 여 기서 Pre-Stress란 한 사이클이 진행되는 중 시편이 선행 인장에 의해서 받고 있는 응력, 즉 한 사이클 에 있어서 응력 중에 가장 아래 있는 값을 의미한다.

    Fig. 9(a)에서 강재는 Type 1과 마찬가지로 εm값 이 가장 작은 2%임에도 불구하고 첫 번째 사이클부 터 재료가 항복하여 변형되어 유의미한 결과를 얻을 수 없을 것으로 판단하였다. 하지만 Fig. 9(a)부터 Fig. 9(h)까지 εm값이 커짐에 따라 그래프의 폐합 면 적이 작아지고 그 폐합되는 형상이 찌그러짐을 볼 수 있었다. 또한, Pre-Stress가 약-185MPa에서 -135MPa로 줄어들어 항복되어 변형이 발생한 강재 에서 추가적인 피로가 발생했다는 것을 볼 수 있었 다. 또한, Fig. 10의 그래프들을 보면 선행 인장에 따 라 초탄성 형상기억합금의 특성을 잘 나타낸다는 것 을 알 수 있다. Fig. 10(a)는 변위 전체 길이가 탄성 영역에 있기 때문에 선행 인장도 적고 그에 따라서 Pre-Stress도 적다는 것을 볼 수 있었다. Fig. 10(b)는 변위가 탄성영역과 소성영역이 걸쳐 있기 때문에 초 탄성 형상기억합금의 장점을 가장 많이 보여준 케이 스이다. Pre-Stress의 경향이 점차 아래로 내려가지도 않을 뿐만 아니라 가장 많은 에너지소산을 보여줬 다. Fig. 10(c)부터 Fig. 10(g)까지는 소성영역에만 변 위가 존재 하지만 εm가 높아질수록 Pre-Stress가 내려 가는 추세가 훨씬 심해진다. 마지막 Fig. 10(h)는 변 형률 경화구간에서만 사이클이 진행됐고, 그로 인해 인장반복에 있어 폐합면적이 거의 없음을 볼 수 있 다. 또한, 본 Type 3 실험은 선행 인장을 가한 와이 어 시편에 대해 인장 반복을 진행한 실험이기 때문 에 잔류변형의 영향이 없음을 볼 수 있었다.

    2.4 결과분석

    Fig. 1112는 각각 Type 1, Type 2 실험의 에너지 소산(Energy Disspation, kN⋅mm)을 계산하여 그래프 화 한 것이다. 초탄성 형상기억합금과 스테인리스강 을 구조물에서 인장부재로서 사용할 경우를 고려하 여 이와 같은 그래프를 그려 분석을 하였다. Fig. 11(a)에서 초탄성 형상기억합금의 경우 1사이클과 2,3사이클의 에너지소산이 가장 차이가 많이 나는 εm의 값이 10%일 때 1사이클은 53.12kN⋅mm이고 2 사이클은 32.74kN⋅mm, 3사이클은 29.65kN⋅mm로 1사이클 대비 55.81%의 에너지 소산을 하는 것을 볼 수 있다. 그에 반해 스테인리스강의 경우 1사이클은 106.91kN⋅mm, 2사이클5.04kN⋅mm, 3사이클 3.78kN⋅ mm로 1사이클 대비 3.54%의 에너지소산을 한다. 또 한 에너지소산의 합은 초탄성 형상기억합금이 115.51kN⋅mm, 스테인리스강은 115.73kN⋅mm으로 스테인리스강이 미미하게 우세하지만 이는 실험의 횟수를 3회 인장반복했기 때문이고 4,5,6사이클의 실 험이 더해진다면 훨씬 큰 에너지소산의 합을 나타낼 것으로 판단된다. 이 차이는 Fig. 12에서도 볼 수 있 었다. 하지만 Fig. 11에서는 변수인 εm값이 커짐에 따라 에너지 소산능력을 비약적으로 상실해 가는 것 을 볼 수 있었음에 비해 S가 변수인 Fig. 12은 속도 가 빨라짐에도 불구하고 에너지 소산능력의 큰 변화 는 없었다. 오히려 형상기억합금만이 로딩속도가 빨 라지며 조금씩 에너지 소산의 능력을 잃어가는 것이 보이고 1사이클부터 재료가 항복 된 스테인리스강은 그 값이 매우 미미하였다.

    Fig. 13은 Type 3의 초탄성 형상기억합금 시편이 받는 Pre-Stress를 사이클별로 그래프화 한 것이다 (Fig. 10 참고). Fig. 10에서는 총 8번의 실험을 했지 만 D(0-2)는 선행 응력이 없기 때문에 제외하였다. 그래프상에서 첫 번째 인장부터 반복 사이클이 진행 되며 Pre-Stress값이 떨어지며 기울기가 점차 감소하 는 것을 볼 수 있다. 7사이클부터는 그 값이 9사이 클과 비슷하다는 것을 확인하였다. D(8-10)의 경우는 소성영역을 벗어난 곳에서 열 번의 인장반복을 진행 했기 때문에 많은 Pre-Stress를 받는다고 판단하였다. 그리고 D(1-3), D(2-4)는 비교적 적은 Pre-Stress를 받 는다. 이는 D(8-10)와는 반대로 변위가 탄성영역에 포함되어 있기 때문이라고 판단하였다. 하지만 D(3-5)부터 D(6-8)까지는 Pre-Stress 값이 약 150MPa 로 점차 수렴하는 것을 볼 수 있다. 이를 통해 소성 변위 구간 내에서는 일정 횟수 이상의 인장 반복을 받아도 시편이 받는 Pre-Stress값은 일정한 값에서 큰 변동이 없을 것 이라고 추정하였다.

    본 연구의 실험은 초탄성 형상기억합금의 우수성 을 검증하고자 하는 실험이다. 따라서 이 실험을 설 계하면서 스테인리스강과 초탄성 형상기억합금의 가 장 큰 차이가 있을 것이라고 가정하였고 그 차이점 을 극명하게 보여줄 필요가 있다고 생각한다. 가장 대표적인 차이점은 초탄성 형상기억합금의 회복력이 고 다음 식과 같이 표현한다.

    R = ε m ε 2 s ε m × 100
    (1)

    여기서, ε2s(%)은 실험에서 1사이클이 끝나고 2사 이클이 시작될 때 Stress값이 0인 지점에서의 변형률 이다. Type 2의 경우 S에 따른 스테인리스강의 잔류 변형 변화가 미미하였기 때문에 제외하고 Type 1의 경우를 Case별로 Table 1과 같이 나타내었다. 초탄성 형상기억합금의 회복률은 아무리 작아도 85%는 회 복을 하였지만 스테인리스강의 경우는 εm가 1%여도 R이 71%이고 10%일 경우에는 30%가량밖에 회복하 지 못하는 결과가 나왔다. R값의 차이를 보면 D(0-4)이후 전부 50%이상이다. 이를 통해 초탄성 형 상기억합금의 회복력이 스테인리스강에 비해 2배 이 상 뛰어나다고 판단하였다.

    3. 결 론

    본 연구는 초탄성 형상기억합금과 스테인리스강을 구조물의 재료적 부분으로 취급하여 실험을 통해 비 교 하였다. 실험의 종류는 인장반복실험을 선택하였 고 변수는 최대 변형률, 인장 속도, 선행 인장으로 총 세 가지를 두고 진행했다. 또한, 실험조건은 한국 의 상온이라고 할 수 있는 23°C 환경에서 진행되었 다. 실험 후 시편이 받는 응력과 변형률 그래프를 그렸다. 초탄성 형상기억합금을 구조물에 적용할 때 의 우수성을 검증하기 위해 X축에 생기는 잔류변형 과 Y축에 생기는 Pre-Stress, 폐합 면적을 통해 구할 수 있는 에너지소산과 같은 다양한 해석을 진행하였 다. 시편은 인장실험의 원활한 진행을 위함과 구조 물에 있어 협소한 공간에서도 사용이 원활하고 응용 이 가능한 직경이 3mm인 와이어 형태로 제작하였 다. 해석 결과 스테인리스강은 여러 사이클의 인장 중에 첫 사이클만 진행해도 많은 양의 잔류변형이 생기고 에너지소산 능력이 상실된다는 것을 확인할 수 있었다. 그에 반해 초탄성 형상 기억합금은 뛰어 난 회복력과 강도로 인해 잔류변형이 거의 없고 에 너지 소산의 능력 유지 측면에서도 좋은 결과를 나 타내었다. 이러한 반복적인 인장환경에서 쉽게 항복 되지 않고 능력을 잘 유지하는 초탄성 형상기억합금 의 특성을 구조물에 접하여 많은 재난대책의 방편과 같은 곳에 활용가능하다고 판단된다. 이 실험과 연 계되어 추가적으로 온도에 따른 초탄성 형상기억효 과에 관한 연구가 필요하다고 생각된다.

    감사의 글

    본 연구는 한국연구재단 중견후속연구 사업(2021 R1A2B5B0200259911)의 지원에 의해 수행되었습니 다. 본 연구 지원에 깊은 감사를 드립니다.

    Figure

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    Wire Specimen

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    Actual Experimental Pictures

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    Type of Tension Experiment

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    Wire Specimen of Tension Experiment

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    Type 1 Stainless Steel

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    Type 1 SSMA

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    Type 2 Stainless Steel

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    Type 2 SSMA

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    Type 3 Stainless Steel

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    Type 3 SSMA

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    Energy Dissipation of Type 1

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    Energy Dissipation of Type 2

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    Overall Severity of Pre-stress

    Table

    Recovery Rate of Wire Specimen

    Reference

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